在“搞亚轨道轰炸机都是毫无意义的”的文章中有这样的回复:
这个问题其实是连亚轨道和轨道都没有搞清楚的结果。其实在原文中已经说了“亚轨道(SubOrbital)”的“亚”就是“亚健康”的“亚”,特指“还没有达到”。如果更严谨一点来解释这个问题,那么咱们就可以引入学术界的概念——亚轨道飞行是指是进入了太空,但因其飞行轨迹与大气层或地球表面相交而无法完成一周轨道飞行的太空飞行。
所以“和平时期早就发射上天了”的这种“太空待命”形式就是轨道飞行,和亚轨道扯不到半点关系。但是如果非得扯亚轨道的基本概念,那么前篇文章中所提到的大部分弹道导弹基本上都可以算是“亚轨道飞行器”了。弹道导弹的飞行轨迹大部分都符合“亚轨道飞行”的定义,暨“进入太空、飞行轨迹与大旗次火地面相交,并未完成一周轨道飞行”。
好了,咱们先给亚轨道轰炸留下一点点悬念,看看正经人家的轰炸操作都是怎么搞的。
实际上和弹道导弹的三种打击方式类似,轰炸机在轰炸目标的时候也有三种特别鲜明有特色的轰炸方式,或者说是投弹方式。
通常,大家所理解的轰炸机轰炸,就是很普通的“水平轰炸”的方式,这种轰炸方式极具观感。轰炸机调整航向,让自己的航向和目标重叠,接近目标区域的时候通过轰炸机的瞄准器瞄准目标,然后在正确的时间点上投放出大量航空炸弹。
从轰炸机的航轨来说,在进入轰炸航线后,轰炸机通常保持水平飞行。投出的炸弹会继承轰炸机水平飞行的速度矢量,以自由落体的形式落向地面。理解这一点大家就会知道,所谓的水平轰炸实际上就是一种平抛运动。
如果不计空气阻力的情况下,炸弹的落点只和飞机的飞行速度、飞行高度和飞行方向相关。
因此,在轰炸机的设计中最终出现了诺顿轰炸瞄准器。
在轰炸机进入轰炸航线后,轰炸机的驾驶员会短暂的将轰炸机的的操作权下放给投弹手,让投弹手依靠诺顿瞄准器的指示小范围的调整飞机的航向和航速。实际上也就是调节平抛运动的三个关键参数。
这是水平轰炸在轰炸机上做的事情,对于航弹来说不受空气阻力完美的完成平抛过程则是理论上的事情,在工程上要讨论的是如何让空气阻力影响最小。因此,低阻航弹就被设计出来了:
近似于流线体的外形让炸弹能够在空中快速下落,尽早的击中目标,从而对空气阻力、侧风的影响都有着较高的适应性。
还有一种思路则是高阻力航弹——空气的阻力公式是这样的:
简单的看我们就可以知道空气的阻力和速度的平方成正比和阻力系数成正比,但正因为速度的平方对航空炸弹的阻力成正比。也就是说速度越快影响越大。
而且我们很难让炸弹的外表和质量分布成为严格符合理论值的“完美炸弹”,因此实际上降低炸弹在空中的飞行速度反而也是一条让炸弹更准确的命中目标的手段。
于是通过设计特殊外形的高阻力航空炸弹也就出现了。
这是一个“躺平”的设计,投出去之后阻力很大,以至于终端速度很快固定,因此反而飞行稳定性表现更好。只不过这种炸弹在空气中运行的阻力太大。大部分情况下都是在大型轰炸机内部弹仓内携带,很少像低阻力炸弹一样可以挂在战机的外面。
和水平轰炸不同的叫做“俯冲轰炸”。由于水平轰炸无论用任何方法都很难让自由落体炸弹能够精准的命中目标。于是更加悲壮的俯冲轰炸就诞生了。在军事实务中通常利用俯冲轰炸来攻击地面或水面移动的小型目标——例如军舰或装甲车辆。
俯冲轰炸的方法就是轰炸机进入目标上空,以近似于垂直的航线指向目标飞行,在投放点投出炸弹然后迅速拉起飞机改出俯冲的状态。
那么实际上俯冲轰炸机在俯冲轰炸的时候到底干了什么呢?
在俯冲过程中,持续的修正航线瞄准目标飞行,本质上是一种人工制导的过程,它们和神风敢死队的樱花特攻机相比就是在最后一刻投下了炸弹拉起了飞机,而不像神风敢死队一样是全程“人肉”制导。但正因为俯冲轰炸机俯冲投弹段的不断修正,大幅度的提高了投出炸弹的命中率,让航空轰炸攻击地面小型目标成为了一个可能性。
不过俯冲轰炸的方式虽好,但也比较费飞行员,所以在二战之后随着电子技术的提高,电视制导炸弹的出现。空军就迅速的放弃了这种悲壮的投弹方式。
“开着炸弹去装目标”本质上和俯冲轰炸以及神风敢死队一样有效,而且不费飞行员啊——真香!
再后来,激光制导炸弹的出现也让飞行员仅仅依靠指示就可以完成投弹工作了,比亲手“开”着炸弹去撞目标还方便。
很多军迷会觉得轰炸就是“水平轰炸”和“俯冲轰炸”,其实还有一种反直觉的轰炸方式叫做“反俯冲轰炸”,也叫“上扬轰炸”。这种轰炸方式是轰炸机将炸弹往天上抛,没错就是字面意思的“往上抛”。
为什么这样做?实际上就是为了打击更远处的目标。轰炸机也罢、战斗机也罢如果想轰炸地面目标都得飞到目标上空投弹。但是目标上空并不是无人之境地面防空火力、空中的敌方战斗机都将阻止你完成这个任务。那么怎么办呢?向上高抛炸弹,让炸弹完成抛物线运动,打击远程目标。
在俄乌战场上,一架米格29战斗机在地面人员的引导下通过反俯冲轰炸,直接攻击了160公里之外的目标。
这件事情的计算公式是什么样子呢?飞机投出炸弹时候的高度y和投出炸弹时的速度v以及角度θ都是我们要关注的问题。带入公式
哎,这是啥?读过W君关于弹道导弹的文章的读者会发现,这就是弹道导弹关机点射程公式
其实,基础物理学是无处不在的,关键看你要怎么运用了。
比如你把θ设置为0,其实这个公式就是平抛公式,可以用来计算水平轰炸机的投弹提前量。
当然了,如果我们把y值设置成0,v设置成933米/秒,其他的内容不变,我们就会发现这其实就是国产W90式203毫米榴弹炮的最大装药量的射程公式。
无论是轰炸机轰炸,还是弹道导弹甚至是榴弹炮,这些东西在本质上都是相通的并没有因为某个武器很高科技或者使用方法很“奇妙”就脱离了最基本的物理学原理。
在上一篇文章中其实还有这样的回复,问到上帝之杖岂不是永远落不到地面上?
我们可以通过很基础的物理学和数学的方式来解释一下这个问题:
“上帝之杖”是概念化的天基动能武器的的俗称,设想是利用高轨道卫星携带高质量的金属棒所蕴含的势能打击地面目标。
这个概念出自科幻电影《特种部队2:眼镜蛇的崛起》,片中的上帝之杖的打击场景堪比核弹,也被很多自媒体剪辑片段当作核弹打击的素材来使用。
那么这个东西是不是符合物理学呢?
我们假设这个可以投放上帝之杖的卫星在500千米的轨道上飞行,投放一枚重量为200公斤的钨钢棒到地面的过程。其发射的方式是以电磁加速的手段将这根“上帝之杖”投向地面。
按照现代电磁炮的功率来计算,200公斤的弹丸在32兆焦的电磁炮下可以有每秒566米的初速度,在50兆焦的电磁炮的推动下可以有707米/秒的初速度。这个部分可以参考动能公式来计算出来,咱们就不展开了。
如果科幻一点,我们把电磁炮的功率加大到10倍,这根钨棒将会以大约2200米/秒的速度脱离卫星。这时候它的动能将达到惊人的784兆焦。如果再结合势能公式来计算,500千米高度的200公斤重量的钨棒本身就具有842兆焦的重力势能(200*8.42 *500*1000,注意,500千米轨道上的重力加速度为 8.42米/秒),两者加起来一共有1626兆焦的能量。
同时,500千米高度上的轨道速度大约是7615米/秒,这是一个相当可观的动能。200公斤重的钨棒可以通过动能计算公式来计算轨道动能了,这个还是动能公式大约是5798兆焦。
三者的全部能量加起来大约是7424兆焦。也就是7.424X10⁹焦耳,那么一吨TNT当量呢?
一吨TNT当量大约的能量是4.184X10⁹焦耳,也就是上帝之杖200公斤重的钨钢棒最终击中地面的时候不计算任何能量损失会有1.77吨TNT当量。
搞这么大阵仗,就投放1.7吨TNT当量的能量到敌方脑袋上?
不理解什么意思是吧?一枚FAB-3000航弹,重量为3吨,这种航弹的炸药填充比是0.5,也就是说在这个型号的航弹中包含了1.5吨炸药。
要知道TNT当量仅仅是一个能量测试的基准值,大部分军用炸药的能量实际上都比纯TNT要大得多,以俄罗斯长期使用的含铝炸药来说,其TNT威力比约为1:1.7(如果是燃料空气炸弹约为1:6.1),所以一枚FAB-3000约有2.55吨TNT当量,这种落后的武器威力其实也远大于上帝之杖了。
还有一个要素你得知道:
我们在A点的卫星上向地球方向以2200米的速度将“上帝之杖”射出,这个速度矢量是不变的,他改变的是“上帝之杖”的轨道高度。但是,卫星还是在高速围绕着地球旋转,因此当“上帝之杖”降到B点的轨道高度上后,还会保留着和A点发射指之初相同的速度矢量。这时候上帝之杖并不是最径直的坠落到地球上,而是进入了一个椭圆形坠落到地面上的轨道。它向着地面坠落的速度矢量会被地球的引力向相反的方向削减。
所以,并不是说在太空轨道上500公里的高度向下释放一枚速度2200米/秒的钨棒可以顺利的在227秒后可以落地,并不是500/2.2= 227这么简单的事情。这个就是开普勒的轨道公式了。在500公里的轨道上给一个向下2200米/秒的矢量,这时候就改变了轨道周期,也就是将正常轨道周期的5686秒改变为了5311秒,在开普勒轨道公式中“落地”实际上是一个半轨道计算,因此5311/2 =2655.5秒 才是落地时间。换算成分钟的话大约是44分钟15秒。其实还是会比弹道导弹要慢得多。
其实,很多的军迷所想的事情都是基于日常生活中的基本常识来看待问题的。这些“常识”仅仅是在一个尺度上是有效果的,到了更大的尺度范围就要有更多的参考条件来支持数学模型的完整性了。
前几天写了一个模拟宇宙大爆炸的视觉模型,从奇点开始到生成第一颗恒星共计经历了几十个小时。
其实,这些东西都是尺度问题。脱离了尺度,其实就是科幻领域的事情了。也就不能算作严格的军事领域的内容了。