10.19 潛射導彈頭部都是圓鈍形,怎麼解決超音速減阻問題?

潛射彈道導彈(SLBM),有一個特徵和陸地上的彈道導彈有一個顯著的差別,就是它的頭部不像陸基導彈那樣是錐形的,而是一個圓鈍的頭。我們可以通過已經裝備的幾款SLBM來看到這個共同特徵。

這是美國的三叉戟II D5:

潛射導彈頭部都是圓鈍形,怎麼解決超音速減阻問題?

法國的M51:

潛射導彈頭部都是圓鈍形,怎麼解決超音速減阻問題?

中國的JL-2:

潛射導彈頭部都是圓鈍形,怎麼解決超音速減阻問題?

朝鮮前兩天剛剛試射的北極星-3:

潛射導彈頭部都是圓鈍形,怎麼解決超音速減阻問題?

可以看到,這些潛射導彈的頭部,雖然不一定是規則的球面,但都是較鈍的外形。那為啥要採用這種較鈍的外形,而不是陸地發射的洲際導彈那樣尖尖的錐形呢?其實和尖錐形的洲際導彈一樣,都是為了減阻,只是這種形狀是為了導彈在減少水下的阻力。

戰略導彈核潛艇,為了保證生存性,必須要能夠水下一定深度發射導彈,否則就很容易被發現和擊毀。目前五常的戰略核潛艇已經可以做到在水下幾十米的深度發射潛射彈道導彈了,所以這段距離的阻力其實非但不能忽略,而且需要慎重去處理。雖然都是流體,但是水和空氣有很大差別,主要是密度和粘滯係數不同,因此在水下,阻力的主要來源是摩擦阻力和形狀阻力。摩擦阻力的大小和物體的浸溼表面積成正比,大家都知道,同樣體積的物體以圓的表面積為最小,加上圓形本身為流線型,減少了湍流形成,所以將頭部設計成接近圓球的圓鈍形最有利於減阻。實際上在水下最理想的減阻外形為水滴形,即頭部圓鈍,在尾部收窄,比如一些潛艇就是這麼設計的;但是實際上潛射彈道導彈不可能設計成這個形狀,所以退而求其次,將頭部設計成圓鈍形狀。

潛射導彈頭部都是圓鈍形,怎麼解決超音速減阻問題?

戰略潛艇需要在水下幾十米直接發射潛射導彈,而不是露出水面後再發射


潛射導彈頭部都是圓鈍形,怎麼解決超音速減阻問題?

水下運動物體的四種阻力來源,對於潛射導彈來說摩擦阻力和形狀阻力佔到最大


潛射導彈頭部都是圓鈍形,怎麼解決超音速減阻問題?

基洛級潛艇設計成圓形艦首,是水滴形艇體,這種設計形狀阻力最低

當然了,我們要知道,這種圓鈍頭的設計雖然在水下是減少阻力了,可是畢竟潛射洲際導彈也是要在大氣中飛行,並且在上升段至少要加速到十幾馬赫,超音速狀態下會產生的激波阻力是最大的阻力來源,而圓鈍頭的形狀尤其不利於減少激波阻力。這也是為啥陸地上發射的洲際導彈和運載火箭都用錐形整流罩的原因,因為錐形的外形可以使尖頭產生的斜激波不會觸碰到彈體,從而減少激波阻力。

潛射導彈頭部都是圓鈍形,怎麼解決超音速減阻問題?

各式各樣的陸基洲際導彈,頭都是尖尖的


潛射導彈頭部都是圓鈍形,怎麼解決超音速減阻問題?

X-15激波風洞圖,可以看到頭部產生的斜激波


潛射導彈頭部都是圓鈍形,怎麼解決超音速減阻問題?

尖頭和圓鈍頭形成的激波,圓鈍頭受到的激波阻力更大,不利於超音速飛行

所以潛射導彈的圓鈍頭其實只解決了水下發射的問題,空氣中飛行又是不利的。那麼又沒有辦法解決呢?答案是肯定的。我們會發現,美國的三叉戟II D5和法國M51上都有一個伸出來的桿狀結構,美國人把它叫

Aerodynamic Nose Spike,在高超音速飛行時,激波將在杆頭形成,產生弓形激波,而此時後面的部分都在這個激波籠罩下,因此可以大大減小激波阻力,圓鈍頭高速飛行的劣勢也就被弭平了。

潛射導彈頭部都是圓鈍形,怎麼解決超音速減阻問題?

三叉戟導彈在頭部有一個可伸縮的長杆


潛射導彈頭部都是圓鈍形,怎麼解決超音速減阻問題?

通過杆頭產生的斜激波可以將來流偏折,使減阻杆正後方的空氣速度減為亞音速,避免了超音速氣流直接打到彈體



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