如果仔細觀察飛彈彈頭部分就會發現在許多飛彈與彈頭銜接的過渡部分都有一個突然放大的部分,一旦彈頭與飛彈彈體分離,這個放大的過渡段部位就像小姑娘在腰間穿著一件短裙一樣。那麼,為什麼飛彈彈頭要在尾部繫著一條「短裙」呢?
▲ 彈道飛彈彈頭的幾種常見外形,其中前兩種都似穿著裙子(圖片來源:《彈頭設計》宇航出版社)
在前面已經談到,彈頭在高空再入的時候,啟動環境非常惡劣,在這時如果彈頭出現前後翻滾的狀態,將使彈頭燒蝕的毫無規律,甚至以防熱最薄弱的尾部衝向溫度最高的前面,而且這種毫無規律的運動將打亂彈道設計,因此為了避免彈頭在高速再入時出現不對稱燒蝕,減少其滾動共振,保證彈頭突防系統的正常工作,進而有效地提高彈頭的命中精度,就必須準確地對彈頭進行定向和穩定控制。這就要求在彈頭上設計有相應的末段控制系統,以便控制彈頭的飛行姿態。
穩定控制的技術途徑雖然有很多,但最簡單和使用最多的一種控制彈頭再入飛行姿態的方法是,在彈頭的尾部作一個穩定裙設計。這種裙狀過渡段的設計本身是彈體殼體的一個組成部分,但它並不承受過高的載荷,只是在彈頭穿過大氣層時,如同羽毛球上的羽毛段,利用空氣的阻滯,不斷調整彈頭飛行姿態,使所謂的空氣動力作用的壓心保持在彈頭質心之後,就可以保證彈頭頭部始終向前,同時也可以降低一定的下落速度。當然,倘若彈頭再入飛行的速度很高,僅僅依靠結構上的穩定裙是不夠的,還必須在彈頭上安裝調整彈頭姿態的姿控小火箭、制動折翼及精確的姿控系統等,通常這種姿態控制系統會使彈頭再入時繞其相應的彈體對稱軸旋轉,這就像步槍子彈頭通過膛線加速旋轉,在出膛後高速旋轉,以避免遭遇空氣或目標物後側偏甚至翻滾,確保了子彈的較高命中精度。不過,由於彈道飛彈彈頭內部結構強度和核裝置工況的要求,彈頭的旋轉速度不可能像子彈那麼高,其只能保持慢旋狀態,這種慢旋不但能保持飛行方向和精度,還能保證彈頭的防熱可靠,因為彈頭在再入時因為由於存在再入傾角的關係,導致軸對稱的彈頭不同側面的阻力不同,這直接造成彈頭表面不同方向的燒蝕情況有很大不同,而沿著飛行軸向緩慢旋轉,可使彈頭覆蓋層不同側面燒蝕均勻,避免了因為不均勻燒蝕造成外形不對稱,最終導致彈頭在高速氣動環境中出現振動,甚至面一側或點的過渡燒蝕導致彈頭最終解體和燒毀。但由於這種設計使彈頭艙內寶貴的載荷容積變小,因此通常是彈道飛彈再入技術較為初級的國家,或在防熱材料和結構設計難以取得突破的情況下採用,而且大多用於剛開始面臨彈頭再入防熱困境的中程彈道飛彈上,在發展中遠程和洲際飛彈時這種通過彈頭獨特外形緩解再入防熱問題的做法就難以行得通了。我們在在美蘇彈道飛彈發展初期都可以發現這種彈頭外形設計,但很快在防熱技術成熟後,這種外形設計就非常少見了,而在近期朝鮮「勞動」和2017年發展起來的「火星-12」等中程飛彈,以及伊朗的「流星」2和「奇亞姆」等中近程飛彈上都還可以看到這種設計。可見,彈頭穿「裙子」載入大氣層可不是為了清爽或好看,而恰恰相反是為了防熱呢。
▲ 射程只有1000多千米的勞動飛彈採用多級圓錐的裙形再入體設計,可以滿足彈頭再入防熱要求(圖片來源:prokorea.ru)
李文盛:電子工程學士及軍事學碩士,原總參某部高級工程師,從事軍事信息與軍事戰略研究,以及遠程作戰問題研究,長期參加中國軍控學會《年度國際軍備控制與裁軍報告》及中國國際問題研究所《全球核態勢評估(年度)報告》的撰寫,在軍內外十餘家刊物發表學術及軍事科普論文400餘篇,參與《俄羅新軍事基本情況》、《美國未來作戰系統》等多部論著撰寫,主持或參加了多項國家及軍隊科研項目,獲得軍隊科技進步獎多項,為核戰略與核武器發展、作戰使用專家,在防空與反導,以及常規遠程作戰方面也有較深研究。
專家介紹
出品 / 科普中國軍事科技前沿
策劃 / 金赫
科學顧問 / 李文盛
監製 / 光明網科普事業部