編者按

本文整理自美國空軍1965年的培訓短片。

片中詳細解析了再入技術在兩大應用場景：洲際彈道導彈和載人航天器返回中的應用。同年，美國洲際彈道導彈“民兵”2服役。

從古至今，流星現象深深吸引著人們，我們會給它賦予很多浪漫的含義。 但是作為相信科學的現代人 ， 我們應該熟悉并至少部分了解流星現象 。

一個流星體在我們大氣層外的太空中飛行，人是看不見它的。這是因為太空中的分子如此稀薄，與它們的碰撞不會造成明顯的影響。但如果它的軌道穿越地球大氣層，它就變成了流星。在這里它開始與更多的分子碰撞，這些碰撞會變得越來越頻繁。

等墜落到低海拔密度較大的空氣中時，它就會減速，每次碰撞都會將一些運動能量轉化為熱能。隨著熱量不斷增加，直到流星本身變成一個白熾燈，在天空中劃出一道軌跡。

為了研究再入的過程，我們可以考慮以下三種因素的對比：

如果兩個不同重量的物體，以同樣的速度和入射角進入地球大氣層，重的物體和輕的物體會同時開始升溫。但是空氣分子的撞擊會更快地減慢輕的物體，輕的物體的減速發生在更高的高度。而更重，也就是擁有更多動能的物體穿透得更深，在達到加速度的峰值之前，較輕的那個產生的熱量總量，比重的產生的少。

兩個完全一樣且速率相同的物體，從不同角度進入大氣層，也會以不同的速度減速。更陡的角度導致物體更快地遇到濃密的空氣，導致更突然的減速。兩個物體產生的總熱量是一樣的，但是從高軌道進入的物體熱功率峰值較低。

相同的流星以相同的角度進入，但速度不同。更快的流星在空氣分子的猛烈轟擊下，減速更快，以更高的速率產生更多的熱量。

通過以上三種對比，我們知道彈道系數（重量和尺寸的關系）、入射角度和入射速度，是再入時必須考慮的三個要素。

對于再入任務來說，兩個天然的挑戰就是減速和加熱。如果發熱或減速超過載具所能承受的極限，任務就無法完成。

想戰勝它們有兩個可以努力的方向：

一是在設計方面，通過修改載具的形狀，以及質量與尺寸的比值，也就是彈道參數；

二是在再入流程方面，通過裝訂彈道曲線，它的速度，它的姿態，以及它進入地球大氣層的角度。

要實現洲際彈道導彈彈頭的成功再入，減速和加熱二者之中，高減速對彈頭來說不成問題。但是太熱不行。

為了減少熱負荷，理論上可以通過點火反推火箭來減速。但是，如果用這種方法來，讓載具減速到合適的速度，所需的反推火箭系統的體積和重量是彈頭重量的數倍，這種方法顯然不行。

如果改變再入角呢？淺角度會減少峰值熱負荷，因為它延長了加熱時間。但是從動能轉化來的熱量，無論如何都是一樣的，較長時間的再入還會讓載具多吸收一些熱量。

此外，淺再入角還有其他缺點：再入過程中大氣層與載具作用會導致打擊精度下降；還為敵人攔截提供了更多時間。

陡峭的再入就可以最大限度避免攔截，還可以讓彈頭在抵達目標之前盡可能少受大氣層影響。所以為了任務的成功，最好采用陡峭彈道再入。

但這樣我們只能從設計的角度解決發熱問題了。

直覺上我們認為如果想要飛得更快，需要流線型的形狀。

在亞聲速下確實是這樣的。但是超聲速航行中，高速移動的載具會推開空氣分子，形成一道激波，隨著速度的增加激波變得更加劇烈，同時發熱也更劇烈。

洲際彈道導彈將具有自由落體再入速度可達6000米每秒。這種速度下，分子碰撞熱和切開空氣時的摩擦生熱，會集中在流線型載具的某一小個部位，局部產生的熱量可能導致溫度超過8000攝氏度。

為了對抗這種可怕的高溫，可以考慮設計一個鈍頭的再入載具。

鈍頭的設計可以讓激波出現在載具的前方。這是因為大氣分子，與它的前表面相撞，反彈并攔截其他進來的分子，在彈頭前面形成一種類似警戒線的結構。這個區域的熱量最多，但它不在載具表面。

鈍形將彈頭的峰值加熱降低到流線型的一半，它仍然會加熱到4000攝氏度。對于無保護的彈頭結構來說還是太熱了，但已經是合理范圍。這時可以在彈頭末端安裝散熱器將多余的熱量排出。

但攜帶散熱器，可能意味著減少了超過四分之一的有效載荷，還減慢了導彈的速度，讓它在大氣中停留更長時間，打擊的精準度就會下降，并且更容易攔截。

為了最精準的打擊和在大氣層中的最短的停留時間，我們還是得重新考慮流線型設計。

但這樣的話哪怕使用散熱器也不能帶走流線型載具返回時突然產生的極端熱量。

還有什么其他辦法嗎？

如果熱量不能被吸收，為什么不能讓它在產生的同時被拋出？

答案已經呼之欲出：燒蝕。

如果在流線型彈頭的正面表面覆蓋著一層層燒蝕材料，由纖維樹脂和陶瓷組成。

這種燒蝕層，首先它是熱的不良導體，其次它的表面隨著發熱逐漸融化帶走熱量，并且蒸汽形成一層薄絕熱層。

最終只有一小部分熱量可以到達載具表面。

應用 燒蝕 原理配合流線型彈頭，解決發 熱問題 、 允許更陡的再入角 、 增加最小的額外質量 ， 同時速度最快 ， 被攔截的可能性降到最低，精度 也 達到最高 。

這就是洲際彈道導彈彈頭的最優設計方案。

熱銷中！

《航空知識》2024年合訂本

風上風云｜云端故事