弹道导弹在稠密的大气层中飞行,当导弹速度达到高超声速时,导弹头罩会承受极其严重的气动加热。而由于气动加热对导弹头罩所产生的破坏远远超过其他外界载荷。这就要求导弹头罩不但需要具备良好的气动外形,更应该具有承受严重气动加热的能力。空心球金属材料密度小并且具有良好的力学性能和隔热性能,是符合超音速导弹头罩使用条件的新材料。首先,本文采用数值方法对不同排列结构的镍基空心球金属材料的有效导热系数、弹性模量、剪切模量以及泊松比进行了计算。并且分析了空心球金属材料性能参数与排列方式、结构参数的关系。由计算结果可知,空心球金属材料排列结构和结构参数的变化直接影响了材料的孔隙率,当孔隙率增大时材料的有效导热系数会减小,材料的力学性能会降低。其次,根据空心球金属材料的结构特点设计了超音弹道导弹头罩。采用CFD-FASTRAN软件对所设计头罩工作条件下外部流场进行了计算。当导弹上升高度和速度不断增加时,导弹头罩温度不断升高,相反头罩表面的压力会由于大气密度的减小而降低。最后,导弹头罩流场计算结果作为边界条件,对所设计的超音速导弹头罩的防热性能以及结构的稳定性进行校核。在导弹头罩工作时间内,由于气动加热所产生的热应力是影响导弹头罩稳定性的主要因素。由于空心球金属材料导弹头罩所采用的结构具有良好的力学性能和防热性能,所以头罩能够满足使用要求,由此验证了将空心球金属材料在超音速导弹头罩中进行应用的可能性。