新谢泼德号摸着圆圆的头表示不服：

另外，我打賭，很多人都没见过什么叫真的“尖尖的”火箭头。比如下面这个 Qu8k 火箭的鼻锥：

为什么有的像牙签儿，有的又粗又圆，差这么多？我不知道 AI 会怎么给你答案，但我觉得用人工智能离造火箭还差那么一口气儿。下面，我就简单说说这个火箭头儿的形状吧。

如果让你来设计一个火箭的头，你会设计成什么形状呢？

思考的第一层

已知箭体已经定死了，就是像冰棒一样的圆柱形，这主要是为了减少飞行时的空气阻力，同时也方便推进剂贮箱的内部压强分布（这个是另一个话题了，就先略了）。那按照大家的生活经验，当物体在大气中穿行时，尖端越锋利，就越能“切开”空气分子（一维是针，二维是刀，三维是锥），从而飞得更快、更容易。如果火箭顶部是平的，它一下子要“推”开的空气太多，这将减慢火箭的速度。

这个形状还有个好处，就是加工很方便，小东西车削一下，大东西搞个平面的金属板，就那么一弯，就能搞出来这个圆锥形。

话说二战后，美国把冯·布劳恩和其他一些德国科学家搞到手，为了对付苏联，计划开发一种射程为 1600 公里的中程弹道导弹（差不多是柏林到莫斯科的距离）^[1]。当时的思路，是先让导弹穿出大气层发射到太空，在接近目标时重入大气层。最自然能想到的，就是用圆锥形来设计鼻锥。

但实验后发现，当导弹从大气层外再入时，鼻锥无论设计得多么锋利，都会在空气摩擦（和压缩）产生的高温中融化。这使得美国中程导弹的研发进度严重落后。

与此同时，苏联人也困在这个问题上了。

怎么避免尖脑袋的表面融化呢？

思考的第二层

这时，美国艾姆斯研究实验室一个叫艾伦的工程师站出来说，如果咱们反其道而行之，把圆锥形改成像拿破仑时期或南北战争时期的那种火炮的球形脑袋，会不会减少向箭体传递的热量呢？

大家都觉得他是在开玩笑，但艾伦和他的同事们认认真真地算了将近 2 年，终于在 1953 年发了一篇论文，指出“应避免使用尖头，而是使用球形鼻锥，其半径应还得尽可能的大，才能有效避免融化问题。”

艾伦的计算结果表明，这种大而圆的钝体设计虽然空气阻力更大，但与传统的圆锥形相比，会在箭体前缘形成一个湍流边界层，它最终能维持在一个相当稳定的温度上，保护箭体免受再入的过热影响。1955 年，美国空军采纳了艾伦的想法，水星计划、以及后来的双子座和阿波罗计划的太空舱，都在重入大气层时采用了钝体设计，有效保护了宇航员和箭体的安全。

这样看来，火箭脑袋得加一个大大的半球体，或者至少一个小球体与圆锥体相切。

思考的第三层

在历史上大部分时间里，人类都把智慧用在思考如何消灭对手上了。随着洲际导弹的研发，美国人和苏联人的竞争进入白热化阶段，更高、更快、更强的奥林匹克精神，也被用在了导弹上。（是的，火箭和导弹不分家。）

当导弹进入超音速和高超音速领域时，最明显的变化就是空气阻力变得很大。这个时候球形 + 锥形的钝体结构，速度上不去。

怎么办呢？

设计遇到瓶颈时，做加法可能是一个有效思路。比如，研究人员发现，在钝体前面加一个减阻杆，就能有效减少导弹的阻力。经常买潜艇的同学应该知道，从水下发射的潜地导弹，要同时面对水中的阻力和空气阻力，在圆头上加根棍，在需要的时候弹出来，不失为一种好方法。

需要注意的是，这与我国早些年战斗机机头上那根“针”的作用是不太一样的。战斗机头的那根针，主要是当空速管来用的，也就是用来测速度用的，放前面主要是为了免受战机机体气流的干扰影响，但也挡着雷达了，所以后来改成战机两侧放 L 形静压管了（比如歼 20 和 F22A）。关于飞机的知识我就不展开了。

言归正传。熟悉导弹的同学应该一下子就想到了三叉戟 I，也就是美国海军 70 年代搞的第三代潜地弹道导弹 UGM-96A。它的卵形脑袋上，就插着一根针状物，这就是前面说的减阻杆了，据说能减少将近一半的阻力^[2]。

这里再发散一下，通常情况下（肯定有特例），手枪弹很多都是圆圆钝钝的，而步枪弹多为尖尖的，想想为什么？

思考第四层

这还没有完。

前面说了，导弹得再入，为了能在高速再入时产生一定的升力以滑翔，从而在末段具有一定的机动制导能力，又研发出一种双锥体弹头(乘波体就不说了)，比如潘兴 II 号和我们的东风某些型号。

嗯，你会想，我们说的不是再入的导弹，是火箭。

就说火箭吧。上世纪的风洞实验中发现，火箭在某些特定条件下，圆头的空气动力学不太稳定，所以也试着搞了个锥体尖尖。比如下面美国国家航空航天博物馆里的这个，就是当年航天飞机大橙罐的复合材料鼻锥（那个铝尖尖还充当了避雷针）：

就是这个东西，它的设计需要在空气阻力、隔热导热、制造成本和强度等多因素之间寻找平衡：

虽然设计目的不同，苏联装莱卡的 R7 火箭也采用了类似双锥体的设计（主要受载荷尺寸和整体质量的限制）：

思考第五层

还有一件事得去考虑，那就是载人的火箭。为了在发射阶段出现严重故障时能保障宇航员的安全，我国长二 F 的作法是在头上加装一个逃逸塔，下面连着航天员所在的部分舱体，多个小火箭推进器可以拽着舱体与火箭分离，并降落在安全地带。

这种设计在联盟号和土星五号上都能看到。

最后

其实，上面这些还远远没有讲完。比如手搓小火箭（以及比赛用子弹）常用的切拱形，还有椭圆 / 椭球形等。

我国发射“天宫一号”的长二 FT1，进一步地从原来的椭球形整流罩改为了冯·卡门曲线 / 冯·卡门拱（在鼻锥的顶端改为一个相切的球）。虽然冯·卡门曲线的整流罩展开之后并不是一个平面，给加工制造上了难度，但它能满足在给定拱长以及直径的情况下阻力最小，因此还是值得的。长五 B 的整流罩也是冯·卡门曲线。

说了这么多，哪种曲线最好呢？为什么谢泼德还在用圆头呢？

事实上，对于速度并不快的大多数火箭（大多数也就 2～3 马赫）来说，减重还是非常重要的，这样能节省大量的推进剂。虽然在低速上升时尖头的空阻更小，但钝圆的脑袋具有更大的减重优势，它的表面积更小，也更坚固，因此可以用更轻的材料。

所以，工程上一考虑成本，很多设计就妥协了。

如果什么都不考虑，就考虑空气动力学，那么整个飞行器的最优设计方案是什么呢？

是的，就是 CD 低至 0.04 的这种流线体形状：

丁仪说，水滴。