□ 邢強

V-2導彈：現(xiàn)代彈道導彈和運載火箭的鼻祖

□ 邢強

V-2導彈▲

一個幾乎難以否認的事實是：現(xiàn)代彈道導彈和運載火箭的鼻祖可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)期間，德國工程師發(fā)明的V-2彈道導彈。

總體設計

V-2導彈的總設計師為馮·布勞恩博士，他是航天先驅(qū)奧伯特的名徒。V-2導彈發(fā)射質(zhì)量 12.5噸，全長14米，直徑1.65米，彈翼翼展3.56米，最大有效射程為320千米?？傮w來說，V-2導彈由彈體結構、彈翼、彈頭、導航制導設備艙、燃料貯箱、氧化劑貯箱和火箭發(fā)動機構成。

V-2導彈使用的燃料為3.81噸的酒精（嚴格來說是75%的酒精與25%的水的混合物），氧化劑為4.91噸的液氧。

V-2導彈堪稱現(xiàn)代運載火箭鼻祖的一個重要原因就是它擁有專門設計的噴注系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)對于液體火箭發(fā)動機來說，至關重要。鑒于當時的加工制造水平以及生產(chǎn)條件，V-2導彈的發(fā)動機為了提高可靠性，采用了多噴注器的設計。在多個鐘形窩里，有中間和四周環(huán)繞這兩類帶有小孔的噴注裝置。中間噴注頭上面鉆了120個小孔。這些小孔用來向燃燒室噴注液氧。鐘形內(nèi)壁上則按照近距和擴張遠距的不同，分布著68個酒精噴注孔。

①V-2導彈的發(fā)動機

在該發(fā)動機工作的時候，燃燒室溫度可達2500℃。仔細看剖開的V-2導彈的火箭發(fā)動機的話，會發(fā)現(xiàn)里面有夾層結構。這樣的設計也是首次在導彈或者火箭上出現(xiàn)并影響至今，現(xiàn)代的液體火箭發(fā)動機大多仍然沿用這樣的設計思路。夾層中，由6根高壓管路輸送來的酒精充斥其間。這個夾層的內(nèi)壁緊鄰灼熱的燃燒室，冰冷的酒精能夠起到冷卻火箭發(fā)動機的作用。燃燒室內(nèi)壁同時也能夠?qū)凭剂线M行預熱，有助于提高燃燒穩(wěn)定性和火箭發(fā)動機的效率。該設計既滿足了發(fā)動機的冷卻需要又滿足了燃料的預熱需要，同時又沒有引入附加的工質(zhì)和設備。6根管子，1個掏空燃燒室外殼的夾層，就把問題給解決了。

V-2導彈的火箭發(fā)動機燃燒室頂端18個鼓包的中間孔洞接高壓液氧管路。周圍的管線輸送酒精，與燃燒室的中空夾層相連。夾層與1224個酒精噴注孔相連。

如果說火箭發(fā)動機是V-2導彈的心臟的話，那么渦輪泵就是心臟的心臟了。渦輪泵以強勁的功率將酒精和液氧泵到燃燒室，為火箭發(fā)動機的持續(xù)工作提供條件。高壓氣體吹動葉輪，然后帶動同軸渦輪高速轉動，像水泵那樣把液氧和煤油泵到高壓管路中，最終輸入燃燒室。V-2導彈上面的擁有580馬力的渦輪泵是世界上應用最早的火箭發(fā)動機渦輪泵。該渦輪泵設計思路清晰，結構簡潔明快，渦輪輸送效率較高，被后來的大量彈道導彈和運載火箭所借鑒。

②V-2導彈發(fā)動機的燃燒室和噴管

零下183攝氏度的液氧經(jīng)過里面的細管，與細管外的熱氣體進行熱量交換后，形成高壓。該壓力經(jīng)管路通給液氧貯箱，形成一股持續(xù)不斷地將液氧向燃燒室推擠的力量。這股力量在經(jīng)過渦輪泵的進一步推動之后，最終使得液氧在18個噴注器，共2160個噴注孔中，形成霧化液氧液滴，與周圍的酒精噴流充分混合。

③V-2導彈發(fā)動機渦輪泵

打開V-2導彈的設備艙蓋，我們能夠看到里面的慣性導航設備箱。在發(fā)射前，V-2導彈導航系統(tǒng)中的陀螺儀會被加上一個28伏特的工作電壓，準備起旋。這種經(jīng)典的機械式陀螺儀為V-2導彈創(chuàng)建了慣性導航平臺，同時敏感導彈的姿態(tài)運動。這樣的配置為后來幾乎所有的運載火箭和彈道導彈的導航制導控制設備打下了基礎。

作戰(zhàn)使用

1942年，從波羅的海沿岸升空的一枚V-2導彈試驗彈宣告了V-2導彈正式誕生。按照導彈的標準飛行程序，發(fā)射后5秒鐘之內(nèi)，導彈一直垂直于發(fā)射場地面飛行。這樣做能夠讓導彈盡快獲得能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定飛行的速度，同時可以盡快飛出稠密大氣，減小氣動阻力。之后，導彈會進入程序轉彎階段。打一個遠射程彈道的話，彈道最高點在88千米處。

1945年，一枚V-2導彈被運往德國庫克斯港的一片小樹林中間的空地處，準備發(fā)射。如果我們穿越回那一天，就能夠在位于易北河匯入北海入?？诘牡胤娇吹絍-2導彈的整個發(fā)射系統(tǒng)，同時也能借此機會看到各種保障車輛。二戰(zhàn)時期的德國用代號來表示V-2導彈中使用的各種液體。于是，我們能夠從解密后的技術手冊上看到從A到Z再到SV、XV等多種液體標示。

①V-2導彈在第二次世界大戰(zhàn)期間得到了大量應用

V-2導彈在發(fā)射之前，需要由各種罐車、槽車運來6.4噸A液體，3.71噸B液體，175千克的T液體和22千克的Z液體。

其中，A液體指的是零下183攝氏度的液態(tài)氧。V-2導彈在整個飛行過程中，實際需要的液氧量為4.91噸。但是，德方技術人員堅持要采用6.4噸的罐車運來滿滿一車液氧。這是因為液氧極易揮發(fā)。在夏季，從液氧制備場站到發(fā)射臺，短短不足5千米的路程上，液氧已經(jīng)損失了不少。等到接上管路，開始注入并最終讓液氧貯箱內(nèi)的液面高度到達標稱位置的時候，液氧此時已經(jīng)損失掉了1噸左右。所以，按照經(jīng)驗和測算，4.91噸的液氧需求量要準備出1.5噸的揮發(fā)余量。這樣的設計思路，包括這個比例本身，對于我們進行火箭或者導彈總體設計的時候，依然是有啟發(fā)的。

B液體指的是75%的酒精和25%的水的混合物。酒精對于那個年代的德國來說，是比較容易獲取的燃料種類。放到今天的話，大部分設計師會選擇煤油作為液體火箭的燃料。T液體指的是濃度為80%的過氧化氫溶液。Z液體指的是濃度為33.3%的高錳酸鈉溶液。

②美國海軍航空母艦中途島號正試射從德軍手中繳獲的V-2火箭

V-2導彈對現(xiàn)代運載火箭和彈道導彈的啟發(fā)不僅僅在導彈本身，其發(fā)射系統(tǒng)包括整個運輸與發(fā)射流程都對后來的火箭有重要的影響。這種水平運輸、垂直發(fā)射的模式，幾十年后，依然是彈道導彈的主流。

③正在發(fā)射的一枚V-2導彈

1945年3月8日，一枚命中倫敦法靈頓市場的V-2導彈導致380人當場死亡。史密斯菲爾德是英國倫敦市西北部的一個地區(qū)，圣巴托羅繆醫(yī)院和一些同業(yè)公會位于此地，但最著名的還是要數(shù)當?shù)氐氖访芩狗茽柕率袌隽?。這是倫敦僅存的從中世紀流傳下來的蔬菜肉類批發(fā)市場。歷史上，有很多知名“異教徒”在此地被處死。二戰(zhàn)期間，德國將這一地區(qū)作為V-2導彈的打擊目標，意味深長。盡管當時盟軍為了穩(wěn)定民眾情緒的需要，大幅貶低了V-2導彈的作戰(zhàn)效能，但是，一些真實的戰(zhàn)場照片還是還原了部分真相。1944年11月，一枚V-2導彈命中倫敦東南部的一家商店，使168人當場斃命。幾乎在同一時期，一枚V-2導彈命中了一座位于安特衛(wèi)普的電影院，瞬間取走了567人的生命。

④V-2導彈和保障車輛

V-2導彈為何有這樣的威力呢？其原因首先是導彈擁有較高的飛行速度。按照重新驗證的彈道來分析，V-2導彈在命中目標瞬間的速度達到了2883千米/小時，這個速度雖然比V-2導彈的5766千米/小時的最大飛行速度小了不少，但是一個將近3噸重的重物，以40倍于汽車行駛速度的樣子從天而降，就算不爆炸，其動能本身也能造成很大的傷害。

另外，V-2導彈帶有1噸重的高爆彈頭，彈頭裝藥為阿瑪托。 阿瑪托（Amatol）是由銨（Ammonium）和甲苯（Toluene）合成的一種在二戰(zhàn)期間用途廣泛的炸藥。雖然按照現(xiàn)代彈道導彈的常規(guī)裝藥來說，二戰(zhàn)時期德軍的阿瑪托的爆炸威力已經(jīng)不算很高了（3千克阿瑪托的威力相當于2千克的現(xiàn)代裝填方式制造的TNT炸藥），但是，1噸的炸藥一旦可靠爆炸的話，威力還是不容小覷的。

華麗轉身

▲ 豎立在佩內(nèi)明德博物館的V-2導彈

1945年，第二次世界大戰(zhàn)進入收尾階段。V-2導彈也完成了它在戰(zhàn)爭年代的歷史使命，開始華麗轉身。被盟軍繳獲的V-2導彈被運到巴黎和倫敦的街頭進行展覽。

1945年夏季，德軍進行了最后一次V-2導彈發(fā)射。之后，V-2導彈就開始身份轉變：由一件武器變?yōu)殚_啟航天時代的一把鑰匙。

盟軍繳獲了大量V-2導彈，在對這些導彈進行分析的過程中，開始逐漸掌握彈道導彈的秘密。1945年5月27日，美軍按照“奧森伯格名單”，開始系統(tǒng)地在德國收集科學家和工程師。包括馮·布勞恩博士在內(nèi)的100多名與V-2導彈直接相關的設計人員被轉移到美軍占領區(qū)。到了1945年9月20日，涉及到工程技術的多個領域的700多名科學家被轉移到美國的紐卡斯爾基地。蘇軍在此時也開始收集有關V-2導彈和其他先進技術的資料和設備，2000名一線技術工人、車間負責人、工程師被送上了去往蘇聯(lián)的火車。一同拉回蘇聯(lián)的，還有V-2導彈的生產(chǎn)設備。

美國雖然沒有運回太多工廠設備，但是他們帶回了大量V-2導彈的關鍵零件。更重要的是，100多名跟V-2導彈有關的工程師包括馮·布勞恩本人都在美國。戰(zhàn)后不到1年，美國就利用帶來的零部件和資料圖紙，在德國工程師的協(xié)助下，成功裝配了80枚V-2導彈。這些導彈被用于各種各樣的用途，為導彈彈道學、導彈制導原理甚至軌道動力學和載人航天等學科領域做出了重要貢獻。

其實，馮·布勞恩本人也是更喜歡讓飛行器為太空探索服務。他不止一次地提到，自己設計的飛行器落到了錯誤的星球上。而且，在二戰(zhàn)結束之前，德國科學家就已經(jīng)開始用V-2導彈進行一些太空探索活動了。1944年6月20日，一枚編號為MW 18014的科學試驗導彈升空。導彈沒有按照通常的彈道飛行，而是一直豎直向上，直至飛到176千米的太空。按照國際航空聯(lián)合會的規(guī)定，地面以上100千米的地方為卡門線（為紀念錢學森的導師，美國宇航局噴氣推進實驗室的首任主任馮·卡門博士）。超過卡門線再往上即為太空。這枚沒有裝彈頭的V-2成了飛到太空的第一枚火箭，并完美地完成了一次亞軌道飛行。

▲ 收藏于澳大利亞博物館中的V-2導彈

1948年6月11日，一只名叫阿爾伯特的獼猴被塞進一枚V-2導彈中。隨著一陣轟鳴，導彈飛向天空，完成了一次典型的彈道導彈的飛行。阿爾伯特飛上了63千米的高空后，隨導彈一起墜落。犧牲的阿爾伯特成為當時離地面最遠的一只靈長類動物。阿爾伯特為人類探索未知做出了重大貢獻，是第一只犧牲在奔赴太空征程上的靈長類動物。

1949年6月14日，阿爾伯特II搭乘V-2導彈升空。阿爾伯特II的最大高度達到了134千米，超過了100千米卡門線的高度。它成為了史上第一個進入太空的靈長類動物。但是在返回過程中，降落傘沒能順利打開。阿爾伯特II成了第一只犧牲在再入返回過程中的靈長類動物。

1949年9月16日，阿爾伯特III乘坐V-2導彈升空。導彈在離地10700米的時候爆炸，使阿爾伯特III成為了第一只在導彈升空過程中因爆炸事故犧牲的靈長類動物。

1949年12月8日，阿爾伯特VI踏上了征程。它的最大飛行高度達到了130.6千米，也進入了太空。但是，在再入返回的過程中，降落傘未能順利打開。阿爾伯特VI是至今最后一只乘坐V-2導彈探索太空的獼猴。（此文出自小火箭公眾號）★