高速弹头气动特性

热力学术语

弹道导弹弹头再入大气层的气动特性，包括空气动力特性、气动热特性和气动物理特性（见气动热力学）。

原理

弹道导弹弹头再入大气层的气动特性，包括空气动力特性、气动热特性和气动物理特性（见气动热力学）。当弹头高速再入大气层时，由于激波的压缩加热以及头部与周围空气的摩擦,使它的动能大部分转换成热能,当再入速度为8公里/秒时，滞止温度可达11000K。决定再入弹头气动特性的一个重要参数是弹道系数

式中W为弹头重量(力),CD为弹头阻力系数，A为弹头底部面积。远程洲际导弹的β值超过100000牛/米（10000公斤力/米）。在同样的再入速度和再入角下，β 越大，速度减得越慢，气动加热也越严重，为了保证弹头在严重的热环境下不致烧坏，必须采取有效的防热措施。通常采用烧蚀防热，烧蚀对弹头各种气动特性都有显著的影响。

设计

空气动力特性弹头的外形，除了满足尽可能扩大容积、落速高、一定的稳定性和雷达反射面积小等要求外,还要减小总加热量以减少防热层的重量,减小由于烧蚀引起的外形变化对气动力的影响。弹头的端头常采用球头，后身常见的有锥形、双锥形、锥柱裙外形等。高性能弹头设计的静稳定裕量较小，这就要求弹头的压心位置在再入过程中变化不大。端头烧蚀后常形成凹陷外形、双锥外形等，有时还出现不对称的外形，这不仅会使弹头的压心后移而导致弹头静不稳定，同时由于不对称的气动力加上弹头加工过程中形成的质量和惯量等不对称因素，会导致弹头滚动共振或滚速过零，引起弹头攻角剧增而毁坏或造成较大的落点散布。各种不对称因素，包括外形的不对称在内，都具有随机性，因此只能用统计的方法来估计出现滚动共振的概率。

为了突防和提高命中精度，还发展了机动弹头。为了得到改变轨道所需的加速度，机动弹头常用控制翼、削锥、弯头或适当组合的方案。机动弹头是在有攻角的条件下飞行，常采用压心随攻角变化较平坦的双锥外形。表征机动弹头机动能力的主要参数是控制效率，即单位偏角产生的加速度增量。采用控制翼时，粘性对控制翼效率有显著的影响。

为了鉴定弹头的防热设计，通常通过飞行试验来回收弹头，采用抛重和增阻的办法使弹头减速。在抛重的过程中常产生多体之间的空气动力干扰问题，而增阻弹头的外形则相当复杂。

效果

气动热特性弹头防热设计首先需要确定弹头再入时的热环境，即弹头表面热流沿弹道的变化，然后再确定防热层厚度和烧蚀外形。热流特性与边界层流态有关，发生边界层转捩的高度越低，总的加热量越小。影响边界层转捩的因素很多。对于烧蚀弹头，表面粗糙度是一个重要因素。除边界层转捩外，烧蚀引起的外形变化、质量注入边界层、烧蚀引起的表面花纹和沟槽对热流都有影响，一般来说，表面粗糙度使热流增加。弹头防热材料的烧蚀除与热环境特性有关外，还决定于使用的防热材料。硅基材料在烧蚀时产生液态层，而碳基材料则在高温下直接升华。碳基材料的烧蚀后退量要比硅基材料小得多。在设计防热层厚度时除考虑材料的热化学烧蚀外，还要考虑机械剥蚀。压力是影响机械剥蚀的一个重要因素。在恶劣的天气条件下，冰、雪、雨的粒子环境使防热材料产生严重的侵蚀，可使防热层的后退量成倍增加，在设计全天候弹头时必须考虑抗侵蚀问题。在防热设计中，除端头防热外，还须注意后身大面积的防热，这对整个防热层的重量影响很大，同时对于天线窗、天线杆、缝隙、不同防热材料连接处和底部等都要采取局部的防热措施。这些局部地区的材料烧蚀都与分离流动有关。

气动物理特性再入弹头周围的高温气体形成一个等离子流场，称等离子鞘套，等离子鞘套对微波传输有很大的衰减作用，当无线电工作频率较低时，将造成通信中断，即“黑障”。选择合理的气动外形、改进防热材料的工艺过程和喷射亲电物质等可以降低鞘套中的电子密度。再入弹头周围流场和尾迹中电子密度的变化对雷达和电磁波特性都有很大影响，特别是尾迹雷达反射截面增加会大大降低弹头的突防能力。再入弹头周围高温气体的可见光、红外辐射特性，对突防和识别也都有很大的意义。另外，当爆炸冲击波与弹头头部激波相交时，可能使再入弹头表面产生很高的瞬时载荷，严重时会导致结构破坏，同时也可能引起高频振动，破坏弹头的内部结构和装备。

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