60年前的动画片，手把手教你设计洲际导弹！

发布时间：2025-05-03 21:28:07 浏览量：4

本文整理自美国空军1965年的培训短片。

片中详细解析了再入技术在两大应用场景：洲际弹道导弹和载人航天器返回中的应用。同年，美国洲际弹道导弹“民兵”2服役。

从古至今，流星现象深深吸引着人们，我们会给它赋予很多浪漫的含义。但是作为相信科学的现代人，我们应该熟悉并至少部分了解流星现象。

一个流星体在我们大气层外的太空中飞行，人是看不见它的。这是因为太空中的分子如此稀薄，与它们的碰撞不会造成明显的影响。但如果它的轨道穿越地球大气层，它就变成了流星。在这里它开始与更多的分子碰撞，这些碰撞会变得越来越频繁。

等坠落到低海拔密度较大的空气中时，它就会减速，每次碰撞都会将一些运动能量转化为热能。随着热量不断增加，直到流星本身变成一个白炽灯，在天空中划出一道轨迹。为了研究再入的过程，我们可以考虑以下三种因素的对比：

如果两个不同重量的物体，以同样的速度和入射角进入地球大气层，重的物体和轻的物体会同时开始升温。但是空气分子的撞击会更快地减慢轻的物体，轻的物体的减速发生在更高的高度。而更重，也就是拥有更多动能的物体穿透得更深，在达到加速度的峰值之前，较轻的那个产生的热量总量，比重的产生的少。

两个完全一样且速率相同的物体，从不同角度进入大气层，也会以不同的速度减速。更陡的角度导致物体更快地遇到浓密的空气，导致更突然的减速。两个物体产生的总热量是一样的，但是从高轨道进入的物体热功率峰值较低。

相同的流星以相同的角度进入，但速度不同。更快的流星在空气分子的猛烈轰击下，减速更快，以更高的速率产生更多的热量。通过以上三种对比，我们知道弹道系数（重量和尺寸的关系）、入射角度和入射速度，是再入时必须考虑的三个要素。

对于再入任务来说，两个天然的挑战就是减速和加热。如果发热或减速超过载具所能承受的极限，任务就无法完成。想战胜它们有两个可以努力的方向：一是在设计方面，通过修改载具的形状，以及质量与尺寸的比值，也就是弹道参数；二是在再入流程方面，通过装订弹道曲线，它的速度，它的姿态，以及它进入地球大气层的角度。要实现洲际弹道导弹弹头的成功再入，减速和加热二者之中，高减速对弹头来说不成问题。但是太热不行。

为了减少热负荷，理论上可以通过点火反推火箭来减速。但是，如果用这种方法来，让载具减速到合适的速度，所需的反推火箭系统的体积和重量是弹头重量的数倍，这种方法显然不行。如果改变再入角呢？浅角度会减少峰值热负荷，因为它延长了加热时间。但是从动能转化来的热量，无论如何都是一样的，较长时间的再入还会让载具多吸收一些热量。

此外，浅再入角还有其他缺点：再入过程中大气层与载具作用会导致打击精度下降；还为敌人拦截提供了更多时间。陡峭的再入就可以最大限度避免拦截，还可以让弹头在抵达目标之前尽可能少受大气层影响。所以为了任务的成功，最好采用陡峭弹道再入。但这样我们只能从设计的角度解决发热问题了。直觉上我们认为如果想要飞得更快，需要流线型的形状。

在亚声速下确实是这样的。但是超声速航行中，高速移动的载具会推开空气分子，形成一道激波，随着速度的增加激波变得更加剧烈，同时发热也更剧烈。

洲际弹道导弹将具有自由落体再入速度可达6000米每秒。这种速度下，分子碰撞热和切开空气时的摩擦生热，会集中在流线型载具的某一小个部位，局部产生的热量可能导致温度超过8000摄氏度。为了对抗这种可怕的高温，可以考虑设计一个钝头的再入载具。

钝头的设计可以让激波出现在载具的前方。这是因为大气分子，与它的前表面相撞，反弹并拦截其他进来的分子，在弹头前面形成一种类似警戒线的结构。这个区域的热量最多，但它不在载具表面。钝形将弹头的峰值加热降低到流线型的一半，它仍然会加热到4000摄氏度。对于无保护的弹头结构来说还是太热了，但已经是合理范围。这时可以在弹头末端安装散热器将多余的热量排出。

但携带散热器，可能意味着减少了超过四分之一的有效载荷，还减慢了导弹的速度，让它在大气中停留更长时间，打击的精准度就会下降，并且更容易拦截。为了最精准的打击和在大气层中的最短的停留时间，我们还是得重新考虑流线型设计。但这样的话哪怕使用散热器也不能带走流线型载具返回时突然产生的极端热量。还有什么其他办法吗？如果热量不能被吸收，为什么不能让它在产生的同时被抛出？答案已经呼之欲出：烧蚀。