火箭的头部为什么是圆钝形?

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  2020年7月23日,我国第一个火星探测器“天问一号”由“长征五号”运载火箭成功发射,踏上漫漫征途,迈出了中国行星探测的第一步。在当天发射的电视新闻中,人们可以清楚地看到,装载有火星探测器的“长征五号”火箭头部是一个圆钝的锥形,这是为什么呢?
  眾所周知,火箭头部越尖,在空气中飞行时受到的阻力就越小。所以,火箭为了能用最小的动力飞到更高的天空,探空火箭、除雹增雨火箭等都采用尖锐头部,这使得它们能用比较小的箭体,把探测仪器、除雹增雨剂等送到更高的空中。
  但是,这些小型火箭的飞行速度一般只有2~3倍声速,飞行时间也只有十几秒,而发射航天器的运载火箭的飞行速度要达到十几倍声速,并在大气层中飞行数分钟。此时,尖锐的运载火箭头部会被气流加热到几千摄氏度的高温,任何金属构件都会在几秒内变形和解体。

  科研人员经过缜密研究,利用流体力学、空气动力学,并进行了大量长时间的风洞科学试验后发现,在超高声速情况下,运载火箭圆钝形的头部表面与超高温气流之间会产生一个空气隔层。
  在这道隔层中,空气的流通速度非常快,能带走大量的热量,就像人们在喝粥时向勺子上吹气让粥变凉一样,会让运载火箭头部表面的温度大幅度降低,从而保证运载火箭的飞行安全。
  不过,圆钝形的头部角度需要非常精确的计算,太尖锐降温作用不明显,太圆钝产生的阻力太大,会降低运载火箭的运载能力。
  此外,运载火箭在发射航天器时,由于卫星、探测器和各种飞船的尺寸不同,使得火箭整流罩的直径也不相同。因此,圆钝头部的角度需要根据任务的不同,重新计算。目前,这项技术仅有中、美、俄、英、法等极少数航天大国掌握。
  总之,虽然运载火箭的圆钝形头部看起来很普通,但实则代表着一个国家流体力学、空气动力学的最高水平,是国家科技实力的体现。
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