洲際導彈為何有的是圓盾形,有的頭部是圓錐形?

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很明顯可以看出來,潛射洲際導彈為圓盾頭的,和潛艇的艇艏很像。其實有的潛射導彈本身就被設計成圓盾頭的,有的只是加了個整流罩,其本體彈頭還是圓錐形的。而陸基洲際導彈為圓錐頭的。

潛射導彈在水中的彈道品質決定了發射的成敗。

眾所周知,海水的密度為1.025g/cm3,而空氣的密度為0.00129g/cm3,兩者相差了1000倍。潛射導彈在出發射桶時會產生遊移形的泡狀空泡,而該空泡在時間和空間上是隨機產生的。從而改變導彈表面的壓力分佈,阻力,升力,力矩,以至於影響導彈出水姿態角度的穩定性。為了減弱這種影響,採用了人工注入氣泡的辦法,也就是通氣空泡。通氣空泡可以在導彈周圍形成穩定的空泡,從而減小了導彈在水中的粘性阻力和壓差阻力。隨著彈頭的尖度增大,而氣泡的寬度減少,所以說,為了獲得較寬的氣泡,就將潛射洲際導彈的彈頭設計成圓盾形。此外,潛射導彈還通過降低出桶速度,以減少載荷,提升水中彈道的穩定性。


此外,圓盾形可以減小導彈在水中飛行的阻力。彈道導彈在水中主要受到海水的摩擦阻力,粘壓阻力,附加質量力,浮力,重力的影響。圓盾形的彈頭浸潤面積極小,粘壓阻力和興波阻力系數就越小,就可以減小粘壓阻力。此外,圓盾形彈頭可以為導彈破開水體,減少水流對導彈的影響,從而減少以上這些力的影響。

其實,早期的潛射洲際導彈還是採用的圓錐形彈頭。如巨浪-1,北極星A1/A2/A3,SS-N-5/6,這些導彈的發射成功率很低。



那麼問題來了,圓盾形的彈頭適合在水中飛行,卻不適合在大氣中飛行,而彈道導彈必須要在大氣中飛行才能到達所要攻擊的目標點。在大氣中飛行時,激波阻力是最重要的阻力,這是任何超音速飛行器都無法避免的阻力。


為了使潛射導彈在大氣中也具有比較小的激波阻力,各國採取的措施都不一樣。

我國的巨浪-2型潛射導彈採用了兩層整流罩,第一層為圓盾形,第二層為圓錐形。圓盾形的整流罩可以在水中飛行時使用,而圓錐形的整流罩則在大氣飛行時使用。當導彈破水而出後,第一層整流罩脫落,以第二層整流罩在大氣中飛行,以減少激波阻力。

美國的三叉戟D5導彈就是採用的圓盾形彈頭,只不過為了減小在大氣中飛行的激波阻力。在彈頭上安裝了一枚“減阻針”,在海中,減阻針是摺疊起來的。當導彈破水而出時,減阻針就伸出去,起到減阻的作用。據稱三叉戟D5導彈的減阻針可以減少近50%的阻力,射程提高了300千米。可見三叉戟D5導彈單人設計非常簡單,省去了整流罩的麻煩,發射成功率也極高,三叉戟D5的發射成功率高達100%,遠超其他國家潛射導彈的成功率。沒辦法,誰讓美國的火箭發動機推力大。



由此可知,潛射洲際導彈為了減小在海水中的阻力,提升彈道的穩定性,採用了圓盾形彈頭。而陸基洲際導彈為了減小在大氣中的激波阻力,採用了圓錐形彈頭。(圖片來自網絡)


江山何沉


所謂圓盾形的洲際導彈,其實並不是說絕對是圓盾形,而是頭部錐形不太明顯,看起來像一個圓蓋罷了。這種外形的導彈無一例外都是潛射彈道導彈,不信我們看圖。

這是美國的三叉戟II D5:

法國的M51:

中國的JL-2:

朝鮮前兩天剛剛試射的北極星-3:


可以看到這些潛射導彈的頭部都是較鈍的外形。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。

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

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

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。

各式各樣的洲際導彈,頭都是尖尖的

X-15激波風洞圖,可以看到頭部產生的斜激波

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。

三叉戟導彈在頭部有一個可伸縮的長杆

減阻杆原理,通過杆頭產生的斜激波可以將高速空氣來流偏折,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上形成很強的激波阻力


紙上的宣仔


關注彈道導彈技術的軍事愛好者們可能會發現,彈道導彈的彈頭正在變得越來越“圓潤”。這種“圓潤”當然不是“盤”出來的,而是有著複雜的技術因素考慮。眾所周知,洲際導彈分為陸基和潛射兩類,在潛射彈道導彈上往往會採用錐度很小的彈頭設計,這一點是違背常理的——洲際導彈需要在大氣中飛行8000到13000千米,由於其飛行速度遠超普通航空器,因此其受到的空氣阻力可想而知。在溼面積一定的情況下,錐度越大空氣阻力越小,因此彈道導彈的彈頭應該儘量設計成錐度較大的形狀。但對於潛射彈道導彈來說,由於有了水下發射這個問題,設計上就出現了比較麻煩的情況:由於水下流體和空氣流體的特性完全不同,錐度太大的彈頭在發射時不但不能減阻,反而容易導致穩性下降,而形狀較為平滑的物體則更容易減小水下阻力,因此潛射彈道導彈往往設計成彈頭頂端較平或較圓的形狀,待發射出水後再變形為錐體(具體到不同的型號實現方式不同,“三叉戟”3型為從彈頭部伸出一個錐形長杆,“巨浪”-2型為在錐形彈頭外包裹半球形外殼、在發射後將外殼拋出),以兼顧水下和空中的減阻問題。

而對於陸基彈道導彈來說,彈頭越來越“圓潤”則是由於另一種原因:彈道導彈從從單彈頭向多彈頭方向發展。由於多彈頭彈道導彈具備更好的突防能力和多目標打擊能力,另外當量較小的彈頭也能確保殺傷效果儘量理想,因此長久以來彈道導彈的彈頭數量一增再增,從1個發展到3個、再到6到8個,直到現在的10個上下。毫無疑問,將一個彈頭設計成錐形很容易,然而當6到10個彈頭環狀排列時,整體的形狀自然不會是一個錐體,而是有“截面積”的梯臺狀,因此彈道導彈的整體彈頭部分也只能順勢設計成錐度不大的形狀。


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