高速彈頭氣動特性

彈道飛彈彈頭再入大氣層的氣動特性，包括空氣動力特性、氣動熱特性和氣動物理特性（見氣動熱力學）。

原理

彈道飛彈彈頭再入大氣層的氣動特性，包括空氣動力特性、氣動熱特性和氣動物理特性（見氣動熱力學）。當彈頭高速再入大氣層時，由於激波的壓縮加熱以及頭部與周圍空氣的摩擦,使它的動能大部分轉換成熱能,當再入速度為8公里/秒時，滯止溫度可達11000K。決定再入彈頭氣動特性的一個重要參數是彈道係數

式中W為彈頭重量(力),CD為彈頭阻力係數，A為彈頭底部面積。遠程洲際飛彈的β值超過100000牛/米（10000公斤力/米）。在同樣的再入速度和再入角下，β 越大，速度減得越慢，氣動加熱也越嚴重，為了保證彈頭在嚴重的熱環境下不致燒壞，必須採取有效的防熱措施。通常採用燒蝕防熱，燒蝕對彈頭各種氣動特性都有顯著的影響。

設計

空氣動力特性彈頭的外形，除了滿足儘可能擴大容積、落速高、一定的穩定性和雷達反射面積小等要求外,還要減小總加熱量以減少防熱層的重量,減小由於燒蝕引起的外形變化對氣動力的影響。彈頭的端頭常採用球頭，後身常見的有錐形、雙錐形、錐柱裙外形等。高性能彈頭設計的靜穩定裕量較小，這就要求彈頭的壓心位置在再入過程中變化不大。端頭燒蝕後常形成凹陷外形、雙錐外形等，有時還出現不對稱的外形，這不僅會使彈頭的壓心後移而導致彈頭靜不穩定，同時由於不對稱的氣動力加上彈頭加工過程中形成的質量和慣量等不對稱因素，會導致彈頭滾動共振或滾速過零，引起彈頭攻角劇增而毀壞或造成較大的落點散布。各種不對稱因素，包括外形的不對稱在內，都具有隨機性，因此只能用統計的方法來估計出現滾動共振的機率。

為了突防和提高命中精度，還發展了機動彈頭。為了得到改變軌道所需的加速度，機動彈頭常用控制翼、削錐、彎頭或適當組合的方案。機動彈頭是在有攻角的條件下飛行，常採用壓心隨攻角變化較平坦的雙錐外形。表征機動彈頭機動能力的主要參數是控制效率，即單位偏角產生的加速度增量。採用控制翼時，粘性對控制翼效率有顯著的影響。

為了鑑定彈頭的防熱設計，通常通過飛行試驗來回收彈頭，採用拋重和增阻的辦法使彈頭減速。在拋重的過程中常產生多體之間的空氣動力干擾問題，而增阻彈頭的外形則相當複雜。

效果

氣動熱特性彈頭防熱設計首先需要確定彈頭再入時的熱環境，即彈頭表面熱流沿彈道的變化，然後再確定防熱層厚度和燒蝕外形。熱流特性與邊界層流態有關，發生邊界層轉捩的高度越低，總的加熱量越小。影響邊界層轉捩的因素很多。對於燒蝕彈頭，表面粗糙度是一個重要因素。除邊界層轉捩外，燒蝕引起的外形變化、質量注入邊界層、燒蝕引起的表面花紋和溝槽對熱流都有影響，一般來說，表面粗糙度使熱流增加。彈頭防熱材料的燒蝕除與熱環境特性有關外，還決定於使用的防熱材料。矽基材料在燒蝕時產生液態層，而碳基材料則在高溫下直接升華。碳基材料的燒蝕後退量要比矽基材料小得多。在設計防熱層厚度時除考慮材料的熱化學燒蝕外，還要考慮機械剝蝕。壓力是影響機械剝蝕的一個重要因素。在惡劣的天氣條件下，冰、雪、雨的粒子環境使防熱材料產生嚴重的侵蝕，可使防熱層的後退量成倍增加，在設計全天候彈頭時必須考慮抗侵蝕問題。在防熱設計中，除端頭防熱外，還須注意後身大面積的防熱，這對整個防熱層的重量影響很大，同時對於天線窗、天線桿、縫隙、不同防熱材料連線處和底部等都要採取局部的防熱措施。這些局部地區的材料燒蝕都與分離流動有關。

氣動物理特性再入彈頭周圍的高溫氣體形成一個等離子流場，稱等離子鞘套，等離子鞘套對微波傳輸有很大的衰減作用，當無線電工作頻率較低時，將造成通信中斷，即“黑障”。選擇合理的氣動外形、改進防熱材料的工藝過程和噴射親電物質等可以降低鞘套中的電子密度。再入彈頭周圍流場和尾跡中電子密度的變化對雷達和電磁波特性都有很大影響，特別是尾跡雷達反射截面增加會大大降低彈頭的突防能力。再入彈頭周圍高溫氣體的可見光、紅外輻射特性，對突防和識別也都有很大的意義。另外，當爆炸衝擊波與彈頭頭部激波相交時，可能使再入彈頭表面產生很高的瞬時載荷，嚴重時會導致結構破壞，同時也可能引起高頻振動，破壞彈頭的內部結構和裝備。