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导弹设计有什么讲究?为什么大部分导弹都是圆腰身?
发布时间:2020-10-30     作者:李文盛   来源:科普中国   分享到:

为什么弹道导弹的横截面,基本上都是圆的?为什么不像飞机或某些巡航导弹那样,设计成不规则对称的?

这是因为从结构学、空气动力学考虑,选择圆形截面最合适。导弹弹体结构通常由弹身、气动面、弹上机构和一些零部件连接组合而成,可以看作一个壳体。它对外要具有良好气动外形,对内主要用于安装和承载导弹的战斗部、制导系统、动力装置、推进剂、及弹上电源等,本身也要承受一定的结构应力。将其设计成圆形截面,有以下几个好处。

第一,可以使导弹弹体各个方向受到的空气动力相同。弹道导弹的飞行路线虽然绝大部分处于空气稀薄的高空,但它的主动段和再入段,还是要在稠密的大气层中高速飞行,在这里所遇到的空气动力,对导弹弹体的影响十分严重。如果导弹截面不对称,空气动力在弹体上的作用力也会不对称,从而影响导弹的飞行稳定,或者让导弹的启动控制变困难。导弹在空中机动或为保持飞行稳定、打击精度时,需要慢旋弹体,或者是将导引头调整到特定方向时,就需要在飞行中旋转变换姿态。此时对于圆形截面的导弹,轴向四周各方向的空气动力环境基本相同,受力均匀,且无论如何沿轴向旋转变换,其气动力作用不会发生变化,使导弹姿态控制系统基本稳定工作。这也是导弹截面设计为圆形的最大原因。

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▲ 苏联的P-1和P-2导弹,与德国的V-2非常相象,可见早期的导弹就采用了圆柱和圆锥等剖面为原型的设计

第二,保证导弹内部空间最大。众所周知,同样周长下,圆形面积最大。因此用同样多的弹体外壳材料,圆形截面的导弹内部具有最大的空间,用于装载各种仪器设备和燃料。

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▲ “和平卫士”导弹的多弹头分离盘,其内部也较为对称,且尽可能利用了内部空间

第三,圆形截面的蒙皮,在工艺制造上较为简单,并且密封性良好,能够避免风、沙、雨、雪、雾等对内部的侵蚀。如果存在棱角,会使加工设计困难,并可能成为内部应力的薄弱点。

第四,圆形截面在结构上能尽量减少空气动力矩对整体飞行效能影响,或气动加热对内部设备的影响。非圆形截面的设计,可以增加升力或气动效果,但同时也可能在飞行中形成气动或热驻点,使其动力和防热效果骤降。

第五,保证导弹质量分布均匀。这样可以使导弹各个截面的质心与对称轴重合,使导弹在飞行或旋转中不会因为质心与旋转轴心的偏移,而导致弹体振荡。

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▲ 美国“民兵3”洲际弹道导弹的制导舱段,可见其截面布设较为对称,这减少了导弹飞行产生弹体震荡的可能

当然,除了燃料之外,由于工程制造原因,仪器舱大多为方形,使原型截面轮廓并不能完全利用,这就要考验设计人员的技术了。

正是因为上述原因,导弹弹身设计都采用圆柱体,其外表面呈平滑的流线型。即使个别部位突出在弹身之外,也都加了相应的整流罩,在飞行到某一时刻,该罩便自行脱落。


李文盛:电子工程学士及军事学硕士,原总参某部高级工程师,从事军事信息与军事战略研究,以及远程作战问题研究,长期参加中国军控学会《年度国际军备控制与裁军报告》及中国国际问题研究所《全球核态势评估(年度)报告》的撰写,在军内外十余家刊物发表学术及军事科普论文400余篇,参与《俄罗新军事基本情况》、《美国未来作战系统》等多部论著撰写,主持或参加了多项国家及军队科研项目,获得军队科技进步奖多项,为核战略与核武器发展、作战使用专家,在防空与反导,以及常规远程作战方面也有较深研究。

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