聊聊运载火箭与弹道导弹的弹射发射技术
2019-06-14 13:15

聊聊运载火箭与弹道导弹的弹射发射技术

本文来自微信公众号:小火箭(ID:ixiaohuojian),作者:邢强博士,封面:unsplash


随着带有发射筒的固体运载火箭在海上发射中的公开亮相、诞生于苏联时期的第聂伯运载火箭(实际上是末日神器撒旦洲际弹道导弹SS-18的商业化改型)发射任务的增加,以及对重启和平卫士洲际弹道导弹的探讨,人们对运载火箭和洲际弹道导弹的弹射发射技术再次产生了浓厚的兴趣。


本文,是小火箭运载火箭与洲际弹道导弹技术系列报告第2季的开篇,准备广泛探讨弹道导弹与运载火箭的弹射发射技术。



在第1季中,《聊聊固体火箭发动机的推进剂》给出了固体火箭发动机配方的发展史。从比冲为100秒的黑火药讲到三叉戟潜射洲际弹道导弹的高氯酸盐推进剂,然后一直讲到以民兵3型洲际弹道导弹和白杨-M洲际弹道导弹为代表的现代固体火箭发动机推进剂。



《民兵导弹:美国唯一在役的陆基战略核导弹》《导弹的“保质期”有多长?》《美国陆基战略核导弹的部署、运输与防护》《撼天动地!小火箭聊固体火箭发动机的材料》,这4篇报告则在坚持了不涉及国内在役武器装备的任何技术细节的前提下,以美军在役陆基战略核导弹和苏联多款弹道导弹、运载火箭为案例,讲述和具体分析了导弹/运载火箭的钢壳体和复合材料缠绕壳体技术,以及洲际弹道导弹的延寿技术。其既可作为有志于从事航天飞行器总体设计专业的工程技术人员探讨之用,也可成为相关专业领域的先修课程。



比如民兵I型洲际弹道导弹的第一级固体装药配方为:70.5%的过氯酸铵+13.4%的聚丁二烯丙烯酸+环氧树脂+铝粉。


到了民兵III型,其第一级固体装药配方升级为:73.2%的过氯酸铵+15.6%的铝粉+9%的端羟基聚丁二烯+聚丁烯。



我在详细计算民兵III型洲际弹道导弹的弹道的同时,对铝粉在固体火箭推进剂中的作用以及如何详细考虑大气作用和对反导拦截系统的突防策略方面有所涉及。


在第1季的《导弹的“保质期”有多长?》,结合这些年的工程经历和计算结果,小火箭和大家探讨了导弹以及固体火箭发动机的寿命问题。重点分析了S-300防空反导导弹与民兵洲际弹道导弹的固体火箭发动机。



《帝国遗产!苏联高超声速弹头洲际弹道导弹的商业化实践》《小火箭图解苏联俄罗斯联盟飞船的返回过程》,则给出了由洲际弹道导弹改型而来的运载火箭在执行货运任务和载人任务时的一些技术细节的分析。


本文是洲际弹道导弹与运载火箭技术分析系列报告的第2季的开篇。和本系列并行的,还有一个经典洲际弹道导弹与运载火箭系列,已进行到第7季。


就是这样,小火箭尝试以较为核心的技术发展脉络为经,以具体的经典的型号为纬,努力构建一个面向当前和未来的火箭与导弹工程师的、属于全体小火箭支持者的技术架构。


本文是经线系列,因此将会涉及到多个型号(有关弹射和非弹射的10+个型号,有北极星A1、北极星A3、海神潜射弹道导弹、民兵陆基洲际弹道导弹、布拉瓦潜射弹道导弹、三叉戟I型、三叉戟II型潜射洲际弹道导弹、赛果弹道导弹、呼啸号运载火箭、和平卫士洲际弹道导弹、SS-18撒旦洲际弹道导弹、第聂伯运载火箭),针对弹射发射技术,试着去追溯到该技术的缘起,并尽力理清弹射发射技术的脉络。


本技术报告分为五个部分,分别阐述了:


第一、弹射技术的5大技术来源;

第二、运载火箭与弹道导弹弹射起飞的3大技术流派;

第三、典型的弹道导弹和运载火箭弹射起飞的10个型号分析;

第四、火箭和弹道导弹弹射起飞技术的4大技术优势;

第五、展望导弹和火箭弹射起飞的3个未来方向。


前传


看那璀璨星空,众星之光芒,要历经万年才能到达地球,也许在光芒来临的时候,它们本身已经消亡了,但历史总会照进我们的生活。——《超人前传》


小火箭先下一个定义:


导弹和运载火箭的弹射发射技术,本质上是借助外力,在飞行器自身动力系统开始工作之前或者工作之时,为飞行器提供初始速度的一种技术。


追本溯源,弹道导弹和运载火箭的弹射发射技术,其创新源头有5个,属于典型的综合型创新。


1. 飞行者1号的弹射起飞技术



莱特兄弟研制的飞行者1号的首次飞行,摄于1903年12月17日。奥维尔·莱特担任首飞驾驶员,威尔伯·莱特则在翼尖处跟跑,随时观测飞行器姿态。


这是人类首个重于空气的飞行器脱离地面的瞬间。


仔细看的话,我们能够发现在飞行者1号的下方,有一条长长的导轨。



换个角度看,能够看到辅助起飞用的小塔。


重物先被提升到塔的高度,在起飞的时候,从高处释放。重物加速下落,通过传动索,赋予飞行者1号一定的初速度,帮助其具备起飞所需的速度条件。



从莱特兄弟的设计手稿里,我们能够发现,人类第一架重于空气的飞行器,在设计伊始就考虑到了外力辅助起飞的方案。






后来,在巡洋舰和航空母舰上,舰载机的概念开始流行,这种辅助弹射起飞的技术也就得到了快速发展,并且具备了多种动力来源。


起源于飞行者1号的航空器弹射辅助起飞技术,因为其与航空母舰的亲密关系,导致了这一技术来源在后来成为了狭义的弹射技术的代名词。


很多人提起弹射技术,首先想到的就是舰载机的水平弹射辅助起飞技术。足见该来源影响力的强大。


相较于运载火箭或者洲际弹道导弹,飞机距离人们的生活较近,相应的技术脉络也更易被大多数人所接受。这一点,在《人类火箭与飞机的矢量推力技术》这份讲述推力矢量技术的报告中,已有所体现。


2. 火炮发射技术




和舰载机的水平辅助弹射起飞不同,在地下发射井、发射筒内的弹道导弹或者运载火箭,遇到的空气动力学和热力学环境是另一个领域的事情了。


人类对发射筒弹射技术的掌握,离不开对火炮发射技术有关膛压、身管、发射药量计算和内弹道学的百年技术积累。


3. V-1有翼导弹的弹射发射技术





第二次世界大战,不仅催生了人类首款实用型弹道导弹,还诞生了人类首款实用性巡航导弹(具有较大升力面的有翼导弹)。


36米长的导轨,T液体和Z液体混合之后释放的大量高压高温气体,赋予了V-1导弹580公里/小时的离架速度。(是高铁复兴号速度350公里/小时的1.66倍)


读过《V-2导弹:现代弹道导弹和运载火箭的鼻祖》这份小火箭报告的好友应该对二战德国的过氧化氢、高锰酸钾溶液、液氧、不同浓度的酒精这些液体的命名体系有所了解了,本文不再赘述。


凭借这个速度,其背部的脉冲冲压火箭发动机达到工作速度而被点燃,进一步将导弹的速度提升到650公里/小时。


V-1是人类首款巡航导弹,同时也是首款采用弹射发射方式的导弹,首款可长距离飞行的无人驾驶弹射起飞飞行器。


4. 潜艇水面发射巡航导弹技术



但是,V-1导弹的36米长的导轨还是太长了,和现代的导弹弹射起飞技术的要求还是有一定距离。


直到工程师们开始尝试把大型巡航导弹搬到潜艇上来发射,短导轨起飞弹射技术才终于达到了可堪使用的程度。




1957年,巴尔的摩级重型巡洋舰洛杉矶号的后甲板上,一枚天狮星I型巡航导弹采用超短导轨起飞成功(导轨长度小于弹长)




随后的天狮星II号尝试了0长度发射架起飞的技术并成功。



上图为灰背号巡航导弹潜艇准备发射天狮星巡航导弹的场景。


固体火箭助推器成为了弹射起飞的弹簧、绳索、高压蒸汽的替代者,开始抹平辅助动力和飞行器本身的界限。通过起飞后的助推器分离动作,在完成赋予导弹初速度的任务的同时,不给导弹增添附加的负担。


这种对燃气动力的直接应用,成为了现代火箭和导弹弹射起飞技术的第4大来源。


5. 潜艇水下发射鱼雷技术



鱼雷是潜艇攻击能力的重要实现手段。


压缩空气水下弹射发射则是鱼雷的重要发射方式。






鱼雷发射管也就成为了潜艇的重要组成部分。


以上3图由小火箭邢强摄于某型潜艇。



阿利·伯克级导弹驱逐舰上的一名军官正在手动操作发射三联装鱼雷中的一枚。这和现代运载火箭的弹射起飞技术就更加接近了。


这就是弹道导弹和运载火箭弹射技术的第5个起源。


潜艇


不过,弹射技术用于弹道导弹的发射,还需要一个契机。在此之前,人类用潜艇发射弹道导弹,是一个惊心动魄的过程。



1955年9月16日,代号为611工程(和潜艇型号同名)的苏联潜射弹道导弹项目完成了人类首次潜射弹道导弹的试验。


一艘祖鲁级潜艇下潜到潜望镜深度,然后打开了发射筒,令发射筒自然进水。


潜艇的发射筒被海水大量灌入的同时,不可避免地晃动了起来。


随后,指挥官果断下达发射指令。液体火箭发动机就直接在潜艇的发射筒内点火!巨大的火焰瞬间令筒内的海水沸腾,潜艇内的艇员的五脏六腑感受到了巨大的振动。


随着潜艇的猛烈一沉,导弹顺利出筒,完成了人类首次潜射弹道导弹的发射。


这种发射方式非常冒险。巨大的弹道导弹在潜艇的发射筒内直接点火,一旦爆炸,后果不堪设想!(爆炸当量相当于上百枚反潜深水炸弹同时爆炸,而且是在潜艇的内部炸的。)


伴随着发射过程中的巨大噪声和振动,伴随着潜艇官兵怒吼的“乌拉”声,潜射弹道导弹这种武器装备诞生了。


这种发射方式,也就有了一个名字:乌拉发射。


后来,有人指出,乌拉(大致上可以意译为万岁,但是常用于冲锋)这个词的感情色彩太浓厚,建议改一下。


考虑到苏联的大型运载火箭、运输机和弹道导弹有以大江大河或者山脉命名的习惯,这种弹道导弹在潜艇内点火,依靠自身推力冲出水面的发射方式,改名为乌拉尔式发射。



乌拉尔山是苏联亚洲部分和欧洲部分的分界线。




这种带有浓郁战斗民族特色的发射方式,并没有随着技术的进步而消失。反而在后来的R-29系列潜射弹道导弹上得到了发扬光大。


这和以液体火箭发动机为动力来源的导弹在点火后建立推力的过程较长有关。


另,注意上图的R-29潜射弹道导弹弹头的布置方式,为充满苏联特色的弹头倒置式。这可以在不延长导弹长度的前提下,多放几颗弹头。


后来,最新型号的潜射洲际弹道导弹布拉瓦延续了这一设计。详见小火箭的分析报告《布拉瓦:坎坷经历与魅惑螺旋》。



空气


人类最早尝试用弹射技术发射弹道导弹,发生在1960年。



华盛顿号潜艇,是人类第一艘正式具备作战使用条件的弹道导弹战略潜艇,配备16枚北极星A1弹道导弹和6枚21英寸鱼雷。



北极星潜射弹道导弹,长9.86米,直径1370毫米,发射质量16.21吨。


这款弹道导弹的最大特点,就是突破了固定火箭发动机的高可靠性快速点火这个技术门槛(有关火箭和导弹的点火系统,小火箭准备写一个系列)


这就意味着:先用压缩空气,像发射鱼雷那样把导弹推出去(只不过由水平发射改为垂直发射),然后让导弹在空中点火,具备了理论上的可行性。




上世纪50年代末的一个明媚的清晨,观测岛号远洋测量船迎来了一位稀客——一枚货真价实的弹道导弹。


这是一次真正的海上发射,不过主角只具备亚轨道飞行能力,而且载荷并不是卫星,而是与W58核弹头质量相当的配重和数据记录仪。


北极星A1弹道导弹在观测岛号远洋测量船的后甲板上点火成功,随后精确命中了2000公里外的预定靶场目标。


至此,美国海军掌握了从缓动目标发射弹道导弹的能力,同时北极星A1弹道导弹的姿态稳定系统也得到了考验。


是时候来一发真的了。





1960年3月10日,一艘弹道导弹潜艇补给舰用硕大的龙门吊为人类第一艘实用性潜射弹道导弹战略潜艇装填了两枚北极星A1潜射弹道导弹。


其中一枚带空弹头,另一枚带全状态模拟弹头。



公元1960年3月23日,华盛顿号弹道导弹潜艇下潜到10米深度,减速到2节航速。


随后,艇长确认了时间和最终的电报指令后,下达了5分钟发射准备指令。


轮机长报告16个发射筒中的1号发射筒进入待命状态!


压载舱水泵开始工作,为配平水箱泵入大量海水,潜艇开始像一头陷入昏睡状态的巨兽一般,缓缓向海底躺去。


潜深:15米!


航速:1.5节!


发射气瓶压力:30.91MPa!


是否发射?


艇长:准许发射!


鱼雷兵启动红色限位按钮,摇动气瓶手轮,解除了导弹的发射筒保险。


枪炮长看了一眼艇长,得到了点头的指令后,按动了发射按钮。


“彷佛是谁同时按动了1000个抽水马桶的按钮”,30.91MPa的超高压压缩空气在潜艇底部管路中快速冲动,为艇内带来了前所未有的立体声体验。


按小火箭的验证计算和当年技术文档的分析,经过5道减压阀后,气压应该是已经降到了6.87Mpa,也就是将近69个大气压,到达了发射筒。


而那枚北极星A1弹道导弹显然是等待这一时刻很久了。


她没有丝毫犹豫,瞬间就挣脱了氯丁橡胶浸润的尼龙密封环的束缚,在发射筒内快速上升。


然后,她一头顶破聚乙烯酸酯自裂隔水板。


此时,发射筒上厚重的盖板早已打开多时,这块隔水板是发射筒与海水之间的最后一道障碍。


高压气体一时间变作万千气泡,翻腾着争先恐后地奔向海面。


而北极星A1导弹可不甘落后。


它还在加速!


完全出筒后,北极星A1导弹超过了身边的气泡,到达了海面。


而海面,则并没能拦住它。


出水了!


然后,她还没有停下。


到了水面上方25米处!也就是8层楼高的地方。一切仿佛静止了。


而潜艇内,更是一片沉寂。声纳兵的耳鸣还未停歇,艇长的秒表则忠实地显示着这4300毫秒的时间的消逝。


最紧张的时刻到来了。


此时的北极星A1导弹处于高空,一旦点火失败,就会带着15吨的固体火箭燃料狠狠地砸向潜艇所在海域。


艇里还有另一枚北极星A1导弹。


如果炸了,恐怕他们不仅尸骨难存,就是事先写好的遗书都会化为大海中的朵朵碎屑。


不过,还没等艇员们考虑到更坏的情况,一声巨响,如同巨人孩子的初生,划破天际,响彻云霄!


点火成功了!人类首次用压缩气体冷弹射弹道导弹水下发射成功!空中点火成功!


随后,声纳兵在记录簿上画了一团火焰,接着又依次画了3个圈。



1960年7月20日,他们又来了一次。


这一次,打的是一枚北极星A1全状态弹道导弹,成功。



上图是小火箭给出北极星A1冷弹射发射系统示意图。


每一枚北极星A1潜射弹道导弹都单独封存在一个发射筒里。整艘华盛顿号潜艇,有16个这样的发射筒,分成两列。这个设计被后来几乎所有的弹道导弹潜艇所学习和模仿。


为了把16.21吨重的弹道导弹从水下推到海面,并一下子扔到25米的高度,需要0.951立方米的超高压压缩空气(30.91MPa,也就是309个大气压)


16个超高压压缩空气钢瓶,储存了15.22立方米的压缩空气。


另有3个高0.511米的橡胶圆环,紧紧地箍住导弹,一是用来防止导弹在发射筒内乱晃,二是用来封住压缩空气,让如脱缰野马一般的高压气体释放出更大的力量。


这3个圆环在导弹出筒之后,也被喷到水面以上。


随后,它们会自己落回海面。声纳兵提前知道还有3个圆环适配器,于是在记录簿上也给它们留了位置。


另,北极星A1弹道导弹49米/秒的出水速度,也就成为了那个时代的潜射弹道导弹的技术标准。


1960年11月15日(也就是21394天之前),北极星A1潜射弹道导弹正式入役。


燃气




让我们把目光再转向苏联。


以R-7洲际弹道导弹为原型而发展出来的庞大的弹道导弹和运载火箭家族,让苏联成功发射了人类第一颗人造地球卫星和第一位宇航员。


这个咱们在《1863次发射!开启人类航天时代的R-7导弹》这份小火箭报告里已经详细探讨过了。


这一路,很长,长得不像是旅行,更像是流浪。红色帝国,轰然倒塌。压不垮的,是进入太空的梦想。抬头仰望,那无比深邃的星空,才是我们人类的家乡。——《帝国遗产》 小火箭 邢强


苏联一开始非常青睐导弹或者运载火箭的自力发射方式。


前文小火箭和大家也探讨过了,并且指出就连潜射弹道导弹的试验发射,也是用的在发射筒内点火,在水下自主发射的乌拉尔方式。


但是,后来苏联工程师认为,还是需要用外力帮一把的。



美国从他们的第一款洲际弹道导弹宇宙神开始,就注重导弹的生存性了。


有关该导弹,详见小火箭公号报告《从美国最早的洲际弹道导弹看项目管理》。


到大力神II型洲际弹道导弹的时候,已经有地下井的设计了。



这些详见小火箭的公号报告《井与肼的魅惑:大力神2号洲际弹道导弹》。


虽然就像《一柄扳手引发的美国核导弹大爆炸》一文中提到的,发射井还是有各种问题存在的。(感谢大家支持,这是小火箭第一篇全网流量过1千万的报告。当然,小火箭依然坚持不商业化,唯一的动力,就是大家的捐助支持。)


但是,发射井对于提升洲际弹道导弹的生存性的优势几乎是毋庸置疑的。


于是,苏联工程师也开始攻克发射井技术。


不过,有一个问题始终让苏联工程师们迷惑:


大力神导弹用的是肼和四氧化二氮的燃料组合,非常怕高温。而导弹如果是在发射井内点火的话,尾焰从底部沿着发射井蹿上来,是很容易引爆导弹的。美国工程师怎么解决的?



今天,我们知道,大力神洲际弹道导弹的确是自己点火把自己推起来的。


但是,发射井是经过特殊设计的,从底部向两侧,挖了V型的排焰槽。高温尾焰从这里向两侧快速导出。


当时,苏联工程师虽然对导焰设计也是非常清楚的,但是情报人员提供的大力神导弹发射井照片是关着盖子的,看不到那2个巨大的排焰孔。


另外,美国潜射弹道导弹的冷弹发射技术正发展得如火如荼,各类技术研讨层出不穷。


于是,苏联人认为,美国的发射井一定也是用了冷弹发射技术。


就这样,一条崭新的技术路线开始铺就:



陆基洲际弹道导弹,并没有像潜射弹道导弹那样的来自于潜艇尺寸的约束条件,而且其射程基本上都要超过10000公里,投掷能力随着多弹头技术的发展也是巨大的。


这就意味着,陆基洲际弹道导弹的发射质量,通常比较大。比如SS-18撒旦洲际弹道导弹,这款灭国神器的发射质量,为220吨!北极星A1潜射弹道导弹的发射质量为16.21吨,需要30.91MPa的压缩空气才能推得动。发射质量为14倍的撒旦,显然需要更高的气压。


考虑到当时的压力容器的设计和生产工艺水平,再考虑到50年的有效贮存时间,这个几乎是无法实现的。


所以,苏联工程师给出了一条崭新的技术路线:不用压缩空气,而是用固体火箭发动机药柱的快速燃烧,来产生1000℃以上,瞬时压力超过200MPa的高温高压燃气来推动导弹。


在发射井中的弹道导弹,站立在由橡胶、铁和防热涂层制成的“王座”上。高温高压气体推动王座快速上升。


到了一定高度(20米到35米之间),导弹点火,把王座甩开,然后奔向目标。


这就是热弹发射技术,又叫燃气发射技术。





后来,SS-18撒旦洲际弹道导弹改装成了运载火箭,名为第聂伯,开始承接商业发射业务。


多弹头技术赋予了第聂伯运载火箭出色的一箭多星发射能力,之前还创造过一箭37星的纪录。


注意,上图是当年撒旦洲际弹道导弹的铁王座分离瞬间。



当年一口发射井,对应多枚备弹。真的打红了眼,是要快速装填再次发射的。所以,这个铁王座还有侧推系统,以便尽量避开井盖区域,减少对发射井的伤害。


自力发射、燃气热发射和压缩空气冷弹发射,逐步都被苏联工程师所掌握。



苏联的发射井自带燃气发射,不需在井内点火,因此井的直径比较小,而且没有附加排焰道,见上上图。


而美国的发射井,导弹是在井里点燃的,导弹需要和发射井的井壁有较大间隙,另外还需排焰道,见上图。


实际上,到了民兵陆基洲际弹道导弹的时候,美国依然采用了自力发射的方案。直到和平卫士问世,情况才有了改观。这是后话了,咱们在下文详细聊。


接着说苏联。


潜射发射筒和小直径的发射井,为陆基机动的发射筒提供了有利条件。



后来,到了1972年,为了方便阅兵展示和运输,赛果导弹有了发射筒版本。


该发射筒直径为3米,长20米。



UR-100,或者叫SS-11 赛果洲际弹道导弹,射程达10600公里,能够从普列谢茨克发射场或者分布在广袤西伯利亚大平原上的发射井里发射,越过北极上空,打击美国的任何一个地方。


导弹直径2.5米,长16.931米,采用二级构型。


赛果弹道导弹基本型带有1个当量为100万吨TNT的核弹头。



从上图可以看到,赛果洲际弹道导弹的第一级拥有4台发动机。


小火箭风格:


赛果弹道导弹的第一级,采用3台RD-0216液体火箭发动机和1台RD-0217液体火箭发动机。


这两款发动机均采用常温偏二甲肼和四氧化二氮有毒燃料,燃烧室压力均为17.5MPa(这在那个时代是个很厉害的指标),比冲313秒(这个指标一般)


RD-0217与RD-0216发动机的唯一不同,在于RD-0127发动机上面有热交换器,用于给导弹的一级贮箱增压。



苏联的UR-100赛果洲际弹道导弹在这样的国际环境中诞生。


冷战逐渐白热化,考虑到洲际弹道导弹的生存性,第一批UR-100赛果导弹全部部署在了上图这样的地下发射井中。




赛果是一种花的名字,原产自美国西部,是摩门教的圣花,同时也是美国犹他州的州花。


北约将UR-100洲际弹道导弹的编号定为SS-11,而绰号定为赛果,实在是太照顾这款导弹了。


小火箭认为,这是北约对苏联命名的弹道导弹里,名称最美的一款。


要知道,所有的弹道导弹的北约名称,都是以S打头的单词。


SS-4单级中程弹道导弹的绰号是凉鞋;


SS-10,苏联最后一款采用低温液体推进剂的洲际弹道导弹的绰号是瘦子;


SS-13三级固体弹道导弹的绰号是野人;


SS-14中远程履带机动固体弹道导弹的绰号是替罪羊;


SS-18世界上最大的二级液体洲际弹道导弹,干脆就叫撒旦。



入役伊始,赛果弹道导弹就在5年内,达到了1000枚的产量,其中有10枚用于试验定型测试,其他990枚全部被部署到了像上图这样的抗核加固的地下发射井中。


苏联解体后,洲际弹道导弹大批退役,而科研试验中,开始逐步以防空导弹来替代洲际弹道导弹作为载体。



昔日那些代表红色帝国核威慑力量的地下发射井,逐渐被废弃。



赛果洲际弹道导弹被强制退役后,留下空空如也的核导弹发射井,独自回味和感慨红色帝国昔日的荣耀与辉煌。





大量核导弹发射井被填埋、废弃。填入发射井的沙石,埋葬了基地,也埋葬了那个红色帝国。


很多公路机动的弹道导弹和防空导弹系统被露天堆放起来,任由岁月的风霜侵蚀。


虽然呼啸号运载火箭具备与赛果洲际弹道导弹,同样有在发射井或者发射筒内进行点火发射的能力,但是因为商业卫星比军用的核弹头或者高超声速再入飞行器要脆弱得多,为了防止在出筒过程中,一级发动机的点火产生的筒内噪声声场对卫星造成伤害,呼啸号运载火箭选择了半入筒方案。


也就是,呼啸号运载火箭的一级二级和三级在发射筒内,三级以上的整个载荷段是裸露在发射筒外面的。


这样做还有另外一个好处:未来如果要发射更大尺寸的载荷的时候,会选用或者设计直径更大的整流罩。半入筒的方案使得整流罩的尺寸不会受到发射筒3米直径的限制。


自上世纪60年代,赛果洲际弹道导弹正式入役以来,该系列导弹/运载火箭的出井和出筒高清照片一直是缺失的。


如今,大家终于能够一睹这震撼人心的瞬间!



呼啸号运载火箭出筒瞬间。



呼啸号运载火箭,代表着切洛梅博士的梦想与坚持。



4台偏二甲肼/四氧化二氮液体火箭发动机推举呼啸号运载火箭升空。



呼啸号运载火箭进行程序转弯。




蒸汽


压缩空气,比较适用于潜射弹道导弹,但是力量仍显不足,而且需要携带巨大的高压钢瓶;


燃气弹射,小巧方便,动力十足,但是产生的燃气温度太高,需要专门设计隔热适配器。


那,能不能把冷弹(读音:tan2,同,坛)和热弹(tan2)的优势结合起来呢?


可以的!


这就是蒸汽弹射方式了:先点燃固体火箭药柱,产生大量高温高压燃气,然后用水去冷却燃气。这样,上千摄氏度的燃气的能量就瞬间转移到了200℃以内的水蒸气中。再用高压水蒸气把导弹或者运载火箭推起来。




几百年来,人类对蒸汽的力量,并非一无所知。


相反,瓦特的改良方案成为了推动人类文明前进的巨大动力。


今天,功率的单位干脆就以蒸汽机的改良者、风暴诞生之子瓦特的名字来命名了。



1公斤的水,体积不过是相当于一个直径6.2厘米的小球。


变成蒸汽,则体积成了1.67立方米!扩大为原来的1609倍。





到北极星A3多弹头潜射弹道导弹的时候,原本用于北极星A1的压缩气体弹射系统就被蒸汽弹射系统取代了。


高压气瓶、总是出问题的潜射导弹发射筒减压阀、巨大的总是制造噪声的压缩空气气泵从此在潜艇上消失了,取而代之的是固体火箭药柱和淡化海水贮箱。


北极星A3(上图)、海神和三叉戟潜射洲际弹道导弹均采用蒸汽弹射发射系统。



对于潜射弹道导弹而言,大小很重要。


之前的北极星A1弹道导弹的射程只有2200公里,难以在己方海域实施二次核反击。


而要想让导弹的射程增加,要么延长弹体,要么加粗弹体。


延长?如果不想大量退役潜艇的话,恐怕做不到。


加粗?或许可以。


既然用了燃气-蒸汽弹射系统,那么发射筒的储备空间就可以适当缩小,因为蒸汽的能量比压缩空气的能量强很多,导弹出筒会更加干脆利落,之前为缓冲晃动和留住宝贵的压缩空气的适配器设计就可以简化。


潜艇发射筒的内筒和外筒之间的间隙缩小之后,就可以在不增加外筒直径的前提下(随意增大外筒直径,潜艇设计师会过来找你拼命的),增大内筒直径。


实际上,海神潜射弹道导弹就是这么做的。


这样,北极星潜射弹道导弹1370毫米直径的限制,到了海神导弹这里,就放宽到了1900毫米。



于是,海神导弹的横截面成了北极星导弹的1.92倍。像上图这样秀气的北极星导弹,逐渐被以海神和三叉戟为代表的短粗型导弹所代替。


实际上,海神潜射弹道导弹因为新型蒸汽弹射方式解放了直径之后,在射程和投掷能力上都得到了巨大提升。


压缩空气弹射起飞的北极星潜射弹道导弹,射程只有2200公里,之后的魔改多弹头,也只有3个弹头的尝试。


而海神潜射弹道导弹,携带10枚核弹头时,射程为5900公里;携带14枚核弹头时,射程为4600公里。


可以说,因为蒸汽弹射的出现,使得美国在不大量更新换代潜艇的前提下,大幅提升了潜射弹道导弹的直径,从而使得多弹头技术得到了广泛使用。


多弹头就这么重要?是的。




为了比较单枚大当量核弹头与多枚小当量核弹头的作战效能,美国在上世纪60、70年代用海神C-3导弹与大力神2型导弹做了大量实弹试验和数值模拟试验。


海神导弹是潜对地导弹,弹头为10枚5万吨当量的分导式核弹头,而大力神2型导弹则带有一枚威力巨大的1000万吨当量的核弹头。大力神2弹头的总当量为海神的20倍。


但是试验表明,海神导弹对机场类目标的毁伤效能是大力神2导弹的10倍,对加固的导弹基地的毁伤效能更是提高到了11.2倍,对10万人口城市的打击效能增加了2.5倍。


多弹头能够对重点目标施行交叉火力式的打击,以数量弥补单枚弹头威力的不足,反而大幅提高了作战效能。


小火箭把争论的缘由和结论做成了两张图表:





真理越辩越明,分导式弹头提高毁伤效能的作用最终得到了大家的共识,因此子弹头的数量在这一时期开始增加,民兵3导弹的标准载荷是3枚子弹头,而在1975年美国空军实施的一次名为“撒胡椒面计划”的项目里,民兵3导弹携带7枚10万吨TNT当量的子弹头进行了飞行试验。


上图为民兵3导弹的标准配置:3枚W78 MK12A核弹头。



到了三叉戟I型潜射弹道导弹的时候,蒸汽弹射技术得到了进一步的优化,可以实现在不同深度情况下的可靠发射。


三叉戟I型潜射导弹可在潜艇潜深16.2米到34.1米之间的任何水深发射,和之前的定潜深发射相比,对不同海况的适应性和对发射指令响应的快速性都有了长足进步。


怎么做到的?


答:通过精确调节蒸汽发生器的用水量,可以在给定水深的情况下,让燃气发生器与蒸汽发生器的配合实现毫秒级别的精细控制。


比如,在最浅发射深度16.2米处,蒸汽作用阀开启时间为73毫秒;而在最深处的34.1米时,作用阀开启62毫秒。


这样,最大出筒速度峰值时刻有所变化,出筒速度也就是在27.79米/秒到23.23米/秒之间变化。


出水后,不同的出筒速度和不同的海水深度相互作用,叠加之后的效果,就是几乎相同的固体火箭发动机点火环境(导弹速度、高度等参数)






到了三叉戟II的时候,不仅发射深度可以自适应,发射速度甚至潜艇姿态,也可以自适应。


这是一款射程超过1.2万公里的潜射弹道导弹,其投掷能力甚至超过了很多陆基弹道导弹。


从此,蒸汽弹射系统开始和导弹本身一起,进行综合优化。


工程师发现,导弹在海水里速度太快的话,会产生大量空泡,使得导弹受力不均匀。这样,在出水之后,导弹就带有一定的俯仰-偏航角速度。


在整个稠密大气层内爬升的过程中,姿态控制系统为了抑制这个角速度,就会频繁控制导弹,在空中飞出蛇形轨迹。


由此带来的附加诱导阻力会耗散导弹的能量,削弱导弹的投掷能力。


怎么办?


降速。


之前大家担心导弹点火产生足够推力之前,尾部会碰触海面,产生悲剧,所以要求出水速度较高,通常在20米/秒以上,也就是72公里/小时,和汽车速度相当。点火高度较高,在20米以上。


美国三叉戟II型和俄罗斯布拉瓦潜射弹道导弹的出水速度,都控制在15米/秒左右。布拉瓦导弹出水4.8米就点火。三叉戟II型也是尽量做到了低空快速点火。


另外,为了更加符合水下流体力学的要求,三叉戟II型导弹的头部非常钝。


这样水下运动就较为稳定。但是,这种头部在空气中飞行,尤其是超声速飞行的时候,阻力就太大了。


又怎么办?


答:采用减阻杆。之前小火箭专门有过报告。考虑到有一些好友没有翻阅小火箭历史报告的习惯,再此给出部分内容,方便一文掌握全部所需信息:




这根学名为减阻杆的物体由6根4130铬钼合金钢管逐根套接制成。


每根钢管长30.75厘米,直径从11.2厘米依次递减到4.9厘米。


这根钢管平时像收音机的鞭状天线那样收起来,藏在弹头内部,顶端有一个直径22.9厘米的不锈钢圆盘。


收起来的减阻杆与顶端圆盘加起来的长度为31.5厘米,跟一个成年人的大臂差不多长。


最粗的那根钢管里面有一根火药柱体。当传感器感知到导弹的加速度达到2个g的时候(对于三叉戟导弹来说,通常发生在出水4.05秒左右),火药柱体被点燃并立即产生大量气体。


这些气体把锁在粗管中的另外5根钢管依次顶出,在1秒内就会形成一根长1.28米的细杆。



上图为小火箭计算中心#1阵列计算的流场。从建模到计算再到可视化,用了我半个月的大部分夜间时间。


从弹头的流场来看,减阻杆撕开了钝头前部的弓形激波,让气流转而向两侧飞去。这让弹头附近的气流速度(还有温度)大幅下降。


实际上,减阻杆能够减少“三叉戟”导弹40%以上的空气阻力。


重新计算弹道的话,可以发现,如果没有这根杆,三叉戟基础型号的最大射程将只有6800公里。减阻杆凭借一己之力,就让导弹的射程至少增加了600公里。




三叉戟II型创造过连续167次成功发射的纪录。



不过,对点火高度的极致追求,也让三叉戟II型潜射导弹的姿态控制系统的负担较大,出过一些情况。




俄罗斯的布拉瓦潜射弹道导弹也终于入役了。前一段时间,还进行了一次4发短间隔齐射。


和平






从美国最早的宇宙神弹道导弹到大力神,再到民兵陆基洲际弹道导弹再到德尔塔IV重型运载火箭,自力发射一直是美军比较喜欢的方式。


不过,有一个特例,那就是和平卫士洲际弹道导弹。




和平卫士洲际弹道导弹,射程超过1.4万公里,起飞质量为87.75吨。


该导弹长21.8米,直径2.3米,携带10枚以上的氢弹弹头。


这款导弹的突防能力和命中精度太高,以至于成为了美苏多轮谈判的主角。后来,苏联/俄罗斯以自毁SS-18撒旦洲际弹道导弹为代价,让美国强制和平卫士导弹退役。


美国在上世纪80年代,为了提高和平卫士洲际弹道导弹的能力,专门开发了陆基燃气蒸汽弹射发射系统。


有关和平卫士弹道导弹,留存在世的照片极少。而且大部分都是上上图那张发射照和上图那张多枚子弹头命中夸贾林环礁靶场目标的照片。


那么,小火箭真的能够拿到和平卫士洲际弹道导弹研制蒸汽弹射发射系统的情况么?


在多位小火箭好友的帮助下,历时2年的和平卫士弹道导弹分析工程(火1701工程)至此达成了全部预定目标。


在此,出于纯粹的工程师探讨技术的目的,给出和平卫士洲际弹道导弹测试弹射系统的珍贵照片(严禁非小火箭支持单位和个人在任何场合出于任何目的引用相关文字和照片,允许和鼓励小火箭支持好友在任何场景下的使用)



不带和平卫士洲际弹道导弹的空筒燃气发生器+蒸汽发生器综合试验。


1000℃的高温燃气经过高压水喷淋交换器之后,产生了大量高温高压蒸汽,从筒口喷出。



带和平卫士洲际弹道导弹的出筒测试。


可见大量橡胶适配器在导弹出筒后,自行脱落。



和平卫士洲际弹道导弹蒸汽弹射出筒20米瞬间。



和平卫士洲际弹道导弹蒸汽弹射出筒40米瞬间。



和平卫士洲际弹道导弹蒸汽弹射出筒50米瞬间。


适配器全部脱落,导引索分离。



实际上,和平卫士洲际弹道导弹还有陆基机动的考虑,并且相关的发射筒已制造出原理样机。


上图是和平卫士洲际弹道导弹陆地机动型号在发射筒进行弹射发射的点火瞬间。


和某型洲际弹道导弹大国重器还是很像的。只不过,和平卫士用的还是高压蒸汽弹射+筒外高空点火的方案,所以筒口出来的是白色蒸汽。



后来,美国放弃了陆上机动的方案(认为海基核反击力量已足够,另外发射井足够安全),所有114枚和平卫士洲际弹道导弹全部采用了地下井部署方式。



作为补充,美军还有空基核威慑力量,这个咱们讨论过了,为把本报告字数控制在2万字以内,本文不再赘述。


实际上,和平卫士洲际弹道导弹本质上并不是反击武器,而是更适合于首轮主动打击的进攻武器。


40米的CEP,使其对抗核加固的发射井有足够的威胁。


114枚和平卫士洲际弹道导弹,携带1140个核弹头。即使突防和命中之后,综合概率为50%,那也足以在第一波次摧毁570口发射井。如果按80%的作战效能来分析,则可以摧毁912口发射井。


对于五常中的任何一个国家,常备570口以上的发射井都是一个比较大的经济负担。而如果要咬牙做对等抵抗,则为了确保反击能力,防守一方需要常备1000枚以上的核导弹(或者先发制人,率先打掉114枚和平卫士导弹的发射井)。从博弈论的角度来看,这为爆发全球范围的核战争埋下了隐患。


这也难怪,在历次削减核武器的谈判中,和平卫士洲际弹道导弹都是除美国之外的其他国家千方百计想要消除的武器,并且最终得偿所愿。



和平卫士洲际弹道导弹,采用蒸汽弹射+高空点火或井中点火的方式发射,因此高空点火的时候,下部还是蒸汽为主的白色烟雾。





作为对照,小火箭给出自力井下点火的美国唯一在役的陆基洲际弹道导弹民兵的发射情况。(昼间发射高空点、夜间发射、昼间发射低空点,基本上齐了。 )


优势


本文给出了运载火箭和弹道导弹弹射发射技术的5大来源:固定翼飞机的弹射辅助起飞技术、火炮发射内弹道学、有翼导弹弹射发射技术、潜艇水面发射巡航导弹技术、潜艇水下发射鱼雷技术。


运载火箭和弹道导弹弹射发射技术的3大流派:压缩空气冷弹射、燃气发生器热弹射、燃气蒸汽弹射。


运载火箭和弹道导弹弹射发射技术的4大优势:


第一、有助于提升潜艇和发射井操作人员的人身安全水平(到了筒外或者井外再炸,破坏力就小多了)


第二、有助于提升导弹或运载火箭的投掷能力;


(赋予了陆基洲际弹道导弹30米/秒以上的初始速度,推了一把;赋予了潜射导弹稳定可靠的出水状态。曾有人说,既然SS-18撒旦洲际弹道导弹改为了第聂伯运载火箭,对于战时生存性的考虑就放到次要地位了,而火箭为什么不搬到地面上发射,省去发射井装填的麻烦呢?答:这种井下弹射发射,能够至少提升第聂伯8%的运载能力,何乐而不为呢。)


第三、有助于简化导弹或火箭的发射设施;


(如果没有弹射,火箭在发射设施自力点火起飞的话,就需要专门的排焰导焰设施,或者用数百吨冷却水来实施冷却。)


第四、有助于提升快速响应和多次发射的性能;


(具备弹射系统的弹或者箭,往往有自适应的姿态控制系统,天生对初始对准和标定有快速响应的能力。发射后,筒或者井,受尾焰尾流冲刷影响小,可快速装填进行再发射。)



未来


未来会怎样?


小火箭给出三个方向的分析。






第一,更加强调通用性。陆基、井下和潜射的弹射技术更加通用。会出现一些总体设计相似,而适用平台多样的战略型号。


第二,更多样的弹射能量来源。实现从压缩空气到燃气,再到蒸汽,再到电磁力的拓展。未来会出现电磁弹射辅助起飞的运载火箭与洲际弹道导弹。


第三,更优化的技术细节。导弹能够自动判断点火时机和弹射策略。  目前,潜射型战斧巡航导弹能够在离筒之后,自动感知水压判断水深情况。当导弹认为水较深,则在水下点火,来确保出水稳定性;当水较浅,则出水后在空中点火,提升射程。未来的优化和控制权限,会更多地由发射指挥人员移交给导弹或火箭本身。

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