火箭的頭部為什么是圓鈍形？

余明璐 朱京斌

2020年7月23日，我國第一個火星探測器“天問一號”由“長征五號”運載火箭成功發(fā)射，踏上漫漫征途，邁出了中國行星探測的第一步。在當(dāng)天發(fā)射的電視新聞中，人們可以清楚地看到，裝載有火星探測器的“長征五號”火箭頭部是一個圓鈍的錐形，這是為什么呢？

眾所周知，火箭頭部越尖，在空氣中飛行時受到的阻力就越小。所以，火箭為了能用最小的動力飛到更高的天空，探空火箭、除雹增雨火箭等都采用尖銳頭部，這使得它們能用比較小的箭體，把探測儀器、除雹增雨劑等送到更高的空中。

但是，這些小型火箭的飛行速度一般只有2～3倍聲速，飛行時間也只有十幾秒，而發(fā)射航天器的運載火箭的飛行速度要達到十幾倍聲速，并在大氣層中飛行數(shù)分鐘。此時，尖銳的運載火箭頭部會被氣流加熱到幾千攝氏度的高溫，任何金屬構(gòu)件都會在幾秒內(nèi)變形和解體。

科研人員經(jīng)過縝密研究，利用流體力學(xué)、空氣動力學(xué)，并進行了大量長時間的風(fēng)洞科學(xué)試驗后發(fā)現(xiàn)，在超高聲速情況下，運載火箭圓鈍形的頭部表面與超高溫氣流之間會產(chǎn)生一個空氣隔層。

在這道隔層中，空氣的流通速度非常快，能帶走大量的熱量，就像人們在喝粥時向勺子上吹氣讓粥變涼一樣，會讓運載火箭頭部表面的溫度大幅度降低，從而保證運載火箭的飛行安全。

不過，圓鈍形的頭部角度需要非常精確的計算，太尖銳降溫作用不明顯，太圓鈍產(chǎn)生的阻力太大，會降低運載火箭的運載能力。

此外，運載火箭在發(fā)射航天器時，由于衛(wèi)星、探測器和各種飛船的尺寸不同，使得火箭整流罩的直徑也不相同。因此，圓鈍頭部的角度需要根據(jù)任務(wù)的不同，重新計算。目前，這項技術(shù)僅有中、美、俄、英、法等極少數(shù)航天大國掌握。

總之，雖然運載火箭的圓鈍形頭部看起來很普通，但實則代表著一個國家流體力學(xué)、空氣動力學(xué)的最高水平，是國家科技實力的體現(xiàn)。