V-2導(dǎo)彈：現(xiàn)代彈道導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭的鼻祖

□ 邢強(qiáng)

V-2導(dǎo)彈：現(xiàn)代彈道導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭的鼻祖

□ 邢強(qiáng)

V-2導(dǎo)彈▲

一個(gè)幾乎難以否認(rèn)的事實(shí)是：現(xiàn)代彈道導(dǎo)彈和運(yùn)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(dǎo)彈。

總體設(shè)計(jì)

V-2導(dǎo)彈的總設(shè)計(jì)師為馮·布勞恩博士，他是航天先驅(qū)奧伯特的名徒。V-2導(dǎo)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(dǎo)彈由彈體結(jié)構(gòu)、彈翼、彈頭、導(dǎo)航制導(dǎo)設(shè)備艙、燃料貯箱、氧化劑貯箱和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成。

V-2導(dǎo)彈使用的燃料為3.81噸的酒精（嚴(yán)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(dǎo)彈堪稱現(xiàn)代運(yùn)載火箭鼻祖的一個(gè)重要原因就是它擁有專門設(shè)計(jì)的噴注系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)對(duì)于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來說，至關(guān)重要。鑒于當(dāng)時(shí)的加工制造水平以及生產(chǎn)條件，V-2導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)為了提高可靠性，采用了多噴注器的設(shè)計(jì)。在多個(gè)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(gè)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(kuò)張遠(yuǎn)距的不同，分布著68個(gè)酒精噴注孔。

①V-2導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)

在該發(fā)動(dòng)機(jī)工作的時(shí)候，燃燒室溫度可達(dá)2500℃。仔細(xì)看剖開的V-2導(dǎo)彈的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的話，會(huì)發(fā)現(xiàn)里面有夾層結(jié)構(gòu)。這樣的設(shè)計(jì)也是首次在導(dǎo)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(dòng)機(jī)大多仍然沿用這樣的設(shè)計(jì)思路。夾層中，由6根高壓管路輸送來的酒精充斥其間。這個(gè)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(dòng)機(jī)的作用。燃燒室內(nèi)壁同時(shí)也能夠?qū)凭剂线M(jìn)行預(yù)熱，有助于提高燃燒穩(wěn)定性和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。該設(shè)計(jì)既滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻需要又滿足了燃料的預(yù)熱需要，同時(shí)又沒有引入附加的工質(zhì)和設(shè)備。6根管子，1個(gè)掏空燃燒室外殼的夾層，就把問題給解決了。

V-2導(dǎo)彈的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室頂端18個(gè)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(gè)酒精噴注孔相連。

如果說火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是V-2導(dǎo)彈的心臟的話，那么渦輪泵就是心臟的心臟了。渦輪泵以強(qiáng)勁的功率將酒精和液氧泵到燃燒室，為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)工作提供條件。高壓氣體吹動(dòng)葉輪，然后帶動(dòng)同軸渦輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dǎo)彈上面的擁有580馬力的渦輪泵是世界上應(yīng)用最早的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵。該渦輪泵設(shè)計(jì)思路清晰，結(jié)構(gòu)簡潔明快，渦輪輸送效率較高，被后來的大量彈道導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭所借鑒。

②V-2導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室和噴管

零下183攝氏度的液氧經(jīng)過里面的細(xì)管，與細(xì)管外的熱氣體進(jìn)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(jìn)一步推動(dòng)之后，最終使得液氧在18個(gè)噴注器，共2160個(gè)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(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵

打開V-2導(dǎo)彈的設(shè)備艙蓋，我們能夠看到里面的慣性導(dǎo)航設(shè)備箱。在發(fā)射前，V-2導(dǎo)彈導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀會(huì)被加上一個(gè)28伏特的工作電壓，準(zhǔn)備起旋。這種經(jīng)典的機(jī)械式陀螺儀為V-2導(dǎo)彈創(chuàng)建了慣性導(dǎo)航平臺(tái)，同時(shí)敏感導(dǎo)彈的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。這樣的配置為后來幾乎所有的運(yùn)載火箭和彈道導(dǎo)彈的導(dǎo)航制導(dǎo)控制設(shè)備打下了基礎(chǔ)。

作戰(zhàn)使用

1942年，從波羅的海沿岸升空的一枚V-2導(dǎo)彈試驗(yàn)彈宣告了V-2導(dǎo)彈正式誕生。按照導(dǎo)彈的標(biāo)準(zhǔn)飛行程序，發(fā)射后5秒鐘之內(nèi)，導(dǎo)彈一直垂直于發(fā)射場地面飛行。這樣做能夠讓導(dǎo)彈盡快獲得能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定飛行的速度，同時(shí)可以盡快飛出稠密大氣，減小氣動(dòng)阻力。之后，導(dǎo)彈會(huì)進(jìn)入程序轉(zhuǎn)彎階段。打一個(gè)遠(yuǎn)射程彈道的話，彈道最高點(diǎn)在88千米處。

1945年，一枚V-2導(dǎo)彈被運(yùn)往德國庫克斯港的一片小樹林中間的空地處，準(zhǔn)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(dǎo)彈的整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)，同時(shí)也能借此機(jī)會(huì)看到各種保障車輛。二戰(zhàn)時(shí)期的德國用代號(hào)來表示V-2導(dǎo)彈中使用的各種液體。于是，我們能夠從解密后的技術(shù)手冊(cè)上看到從A到Z再到SV、XV等多種液體標(biāo)示。

①V-2導(dǎo)彈在第二次世界大戰(zhàn)期間得到了大量應(yīng)用

V-2導(dǎo)彈在發(fā)射之前，需要由各種罐車、槽車運(yùn)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(dǎo)彈在整個(gè)飛行過程中，實(shí)際需要的液氧量為4.91噸。但是，德方技術(shù)人員堅(jiān)持要采用6.4噸的罐車運(yùn)來滿滿一車液氧。這是因?yàn)橐貉鯓O易揮發(fā)。在夏季，從液氧制備場站到發(fā)射臺(tái)，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(dá)標(biāo)稱位置的時(shí)候，液氧此時(shí)已經(jīng)損失掉了1噸左右。所以，按照經(jīng)驗(yàn)和測算，4.91噸的液氧需求量要準(zhǔn)備出1.5噸的揮發(fā)余量。這樣的設(shè)計(jì)思路，包括這個(gè)比例本身，對(duì)于我們進(jìn)行火箭或者導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)的時(shí)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(duì)于那個(gè)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(shè)計(jì)師會(huì)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(hào)正試射從德軍手中繳獲的V-2火箭

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

③正在發(fā)射的一枚V-2導(dǎo)彈

1945年3月8日，一枚命中倫敦法靈頓市場的V-2導(dǎo)彈導(dǎo)致380人當(dāng)場死亡。史密斯菲爾德是英國倫敦市西北部的一個(gè)地區(qū)，圣巴托羅繆醫(yī)院和一些同業(yè)公會(huì)位于此地，但最著名的還是要數(shù)當(dāng)?shù)氐氖访芩狗茽柕率袌隽?。這是倫敦僅存的從中世紀(jì)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(dǎo)彈的打擊目標(biāo)，意味深長。盡管當(dāng)時(shí)盟軍為了穩(wěn)定民眾情緒的需要，大幅貶低了V-2導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能，但是，一些真實(shí)的戰(zhàn)場照片還是還原了部分真相。1944年11月，一枚V-2導(dǎo)彈命中倫敦東南部的一家商店，使168人當(dāng)場斃命。幾乎在同一時(shí)期，一枚V-2導(dǎo)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(dǎo)彈和保障車輛

V-2導(dǎo)彈為何有這樣的威力呢？其原因首先是導(dǎo)彈擁有較高的飛行速度。按照重新驗(yàn)證的彈道來分析，V-2導(dǎo)彈在命中目標(biāo)瞬間的速度達(dá)到了2883千米/小時(shí)，這個(gè)速度雖然比V-2導(dǎo)彈的5766千米/小時(shí)的最大飛行速度小了不少，但是一個(gè)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(dòng)能本身也能造成很大的傷害。

另外，V-2導(dǎo)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(dǎo)彈的常規(guī)裝藥來說，二戰(zhàn)時(shí)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(dāng)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(zhuǎn)身

▲ 豎立在佩內(nèi)明德博物館的V-2導(dǎo)彈

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

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

盟軍繳獲了大量V-2導(dǎo)彈，在對(duì)這些導(dǎo)彈進(jìn)行分析的過程中，開始逐漸掌握彈道導(dǎo)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(xué)家和工程師。包括馮·布勞恩博士在內(nèi)的100多名與V-2導(dǎo)彈直接相關(guān)的設(shè)計(jì)人員被轉(zhuǎn)移到美軍占領(lǐng)區(qū)。到了1945年9月20日，涉及到工程技術(shù)的多個(gè)領(lǐng)域的700多名科學(xué)家被轉(zhuǎn)移到美國的紐卡斯?fàn)柣?。蘇軍在此時(shí)也開始收集有關(guān)V-2導(dǎo)彈和其他先進(jìn)技術(shù)的資料和設(shè)備，2000名一線技術(shù)工人、車間負(fù)責(zé)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(dǎo)彈的生產(chǎn)設(shè)備。

美國雖然沒有運(yùn)回太多工廠設(shè)備，但是他們帶回了大量V-2導(dǎo)彈的關(guān)鍵零件。更重要的是，100多名跟V-2導(dǎo)彈有關(guān)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(dǎo)彈。這些導(dǎo)彈被用于各種各樣的用途，為導(dǎo)彈彈道學(xué)、導(dǎo)彈制導(dǎo)原理甚至軌道動(dòng)力學(xué)和載人航天等學(xué)科領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。

其實(shí)，馮·布勞恩本人也是更喜歡讓飛行器為太空探索服務(wù)。他不止一次地提到，自己設(shè)計(jì)的飛行器落到了錯(cuò)誤的星球上。而且，在二戰(zhàn)結(jié)束之前，德國科學(xué)家就已經(jīng)開始用V-2導(dǎo)彈進(jìn)行一些太空探索活動(dòng)了。1944年6月20日，一枚編號(hào)為MW 18014的科學(xué)試驗(yàn)導(dǎo)彈升空。導(dǎo)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(huì)的規(guī)定，地面以上100千米的地方為卡門線（為紀(jì)念錢學(xué)森的導(dǎo)師，美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)彈

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

1949年6月14日，阿爾伯特II搭乘V-2導(dǎo)彈升空。阿爾伯特II的最大高度達(dá)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(gè)進(jìn)入太空的靈長類動(dòng)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(dòng)物。

1949年9月16日，阿爾伯特III乘坐V-2導(dǎo)彈升空。導(dǎo)彈在離地10700米的時(shí)候爆炸，使阿爾伯特III成為了第一只在導(dǎo)彈升空過程中因爆炸事故犧牲的靈長類動(dòng)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(dá)到了130.6千米，也進(jìn)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(dǎo)彈探索太空的獼猴。（此文出自小火箭公眾號(hào)）★