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小火箭出品 本文作者：邢强博士 本文是小火箭经典导弹和运载火箭系列文章第二季的第8篇和第9篇合辑。本季第1篇介绍V-2弹道导弹的时候，重点分析了导弹空气动力学和早期液体火箭发动机。在本季第2篇介绍苏联R-7洲际弹道的文章中，我们能够看到这个导弹/火箭家族通过1863次发射，将第一颗卫星、第一位宇航员送上太空，开启了人类的航天时代。在第3篇文章中，小火箭以美国最早的洲际弹道导弹宇宙神为案例，详述了一个型号诞生的不易和小火箭对导弹系统项目管理的一些心得体会。在第4篇和第5篇中介绍了冯·布劳恩博士与开创美国火箭和导弹工业的红石导弹。在第6篇和第7篇中介绍了法国的航天先驱以及法国在二战后融合本国的航天技术与德国V-2导弹的技术走出了独树一帜的道路，并成为世界上第三个独立发射卫星的国家的事情。 在本篇中，小火箭将要分析的是美国的大力神1号洲际弹道导弹。
首先，大力神1号导弹是美国第一款二级洲际弹道导弹。这样的布局方式使得美国开始向多级导弹和运载火箭的道路上开始迈出坚实的步伐； 其次，大力神1号导弹是美国最后一款使用液氧煤油燃料配置的洲际弹道导弹。从大力神2号导弹开始，以有毒的偏二甲肼/四氧化二氮为代表的常温液体燃料开始在洲际弹道导弹领域全面替代以液氧煤油为代表的低温液体燃料。 由于项目管理、弹道计算、总体优化、姿控发动机、助推器等方面的理念和设计细节在之前已经进行了详细分析，因此，本篇准备在大力神1号导弹这个型号中重点讲述导弹的加工工艺、地下贮存和发射以及制导控制方面的事情。
之前，小火箭在说到宇宙神洲际弹道导弹的时候，提到了宇宙神（阿特拉斯）的名称来源： 阿特拉斯（希腊语：?τλα?）是希腊神话里的擎天巨神，属于泰坦神族。他因反抗宙斯失败，被宙斯降罪来用在世界最西处用头和手支撑苍天。 SM-65这款洲际弹道导弹的英文原名便是阿特拉斯（Atlas），其通用的中文译名为“宇宙神”（不要和后来的大力神Titan弄混）。 阿特拉斯在西方文化中，有力量巨大、掌控范围辽阔之意。因此，自古以来，西方人就喜欢在地图集上装饰阿特拉斯的画像，以至于Atlas一词如今成为了地图集的英文正式名称。而广袤又暴躁的大西洋（Atlantic Ocean），也是得名于阿特拉斯，本意为阿特拉斯之洋。 在希腊/罗马神话中，泰坦是在原始神之后出现的古老神族。第一代泰坦均由天神乌拉诺斯和地神盖亚所生，共有6男6女。 美国战略导弹评审委员会在1953年提出泰坦导弹计划的时候，其本意是作为宇宙神导弹的补充。一旦宇宙神导弹发展不顺利，美国空军还有个第二选择。 不过，泰坦这个名字实际上盖过了宇宙神这个名字。因为从神话谱系的辈分上来说，泰坦实际上是宇宙神阿特拉斯的父辈，而且指代的是整个巨人家族。这个名字实际上在后来一语成谶，让泰坦（中文常译作大力神）导弹和运载火箭系列比宇宙神导弹得到了更多关注，并最终发展出一个庞大的弹道导弹和运载火箭家族。
要注意，此大力神并非是大力神导弹的这个大力神。C-130的这个大力神是宙斯的后代，半神赫拉克勒斯。跟大力神1号导弹的那个泰坦神族大力神差了好几代辈分的。
另外，泰坦这个译法在中文中已非常常见。比如，泰坦尼克号（Titanic）的名字就来自于泰坦。飞行器中常用的材料钛（Titanium），也得名于泰坦。 不过，因为目前大力神导弹这个名称已经广为应用，小火箭在本文不得已也就继续沿用这个叫法了。 1959年2月6日，大力神1号导弹迎来了她的首次发射，之后，大力神1号导弹成为了能够在地下井中贮存的洲际弹道导弹。该型导弹共生产了70枚。 大力神1号导弹，全长31米，最大直径3.05米，发射重量105.14吨。
大力神1号洲际弹道导弹的第一级采用2台LR-87-AJ3液氧煤油火箭发动机。 每台发动机长3.05米（嗯，恰好等于一级弹体直径），重1.7吨。 喷管中间的两个管子是燃气发生器废气排出管（盖子在发动机工作后会被冲飞）。美国在这个时候依然坚持用燃气发生器循环，这个传统将会延续到将人类送上月球的那个土星5号运载火箭上。 燃气发生器排出管的根部稍粗，里面藏着热交换器。排气管子根部有细管通出，那里面是加压加温后的液氧，用于给液氧贮箱提供持续压力。 涡轮泵、煤油管路和液氧管路的细节，与宇宙神导弹类似，由于前文以详述，在这里就不再赘述了。 另外注意靠上的那个喷管上面有一根翘着的小管子。那是燃料管路系统的超压泄放管。 大力神1号洲际弹道导弹的第一级发动机的喷管值得仔细说说。 小火箭在此提醒，大力神1号导弹的喷管跟V-2导弹传承过来的喷管设计理念有了翻天覆地的变化。 钎焊和再生冷却技术在这个时候被Aerojet公司攻克。 提到Aerojet，小火箭就不得不说一说这家公司了。Aerojet公司于1942年由西奥多·冯·卡门博士创建，总部设在加利福尼亚州的萨克拉门托市。 而冯·卡门的学生钱学森博士在该公司创建伊始就开始担任公司的高级技术顾问。Aerojet公司在美国的火箭发动机技术的设计和生产工艺方面的技术突破对美国的整个航天工业起到了不可磨灭的重要贡献。 仔细看上图大力神1号洲际弹道导弹一级发动机的喷管，我们能够发现喷管是由密密麻麻焊接在一起的小管子组成的。 不用数了，每个喷管用了250根小管子。这些小管子是中空的，方便对管子进行冷却并预热燃料，这个在之前的文章中也详细说过了。不过，这个钎焊技术实在是了得。这些小管子的壁厚只有0.5毫米！喷管可是要承受666.4千牛的推力的！
想知道喷管具体是用什么材料制成的？小火箭满足你。 这些管子的材料是347不锈钢。347是美国ASTM标准确立的标号，对应到咱们中国的国家标准，应该叫做0Cr18Ni11Nb不锈钢。 0Cr18Ni11Nb不锈钢，顾名思义，就是含铬18%，含镍11%的不锈钢。这些壁厚只有0.5毫米的不锈钢小管子先被制成需要的形状，然后并排放到一起，由技术工人将他们在1035℃的温度中钎焊形成喷管型面。 不过，小火箭觉得，大力神1号导弹的一级喷管设计得有些粗暴了，一点都不秀气。按照不够美的设计，其性能往往就不够好的理念，小火箭觉得有必要详细计算一下这个喷管的性能。
通过计算，小火箭发现，这个憨憨的大喷管的性能还算可以，算是能够满足当时的大力神1号洲际导弹的需要。但是，比起苏联RD-170发动机的喷管来说，美国大力神1号洲际导弹的喷管设计就有些简陋了，不，简直是太暴力美学了。苏联的RD-170发动机作为世界上推力最大的多燃烧室液体火箭发动机，其设计处处体现了精巧和细致，尤其是其修长的喷管。
RD-170火箭发动机的喷管设计简直就像是苏联芭蕾舞演员乌兰诺娃的身材一般，美丽修长。
详细计算之后，小火箭发现，RD-170的喷管内流场简直是太美了。
而大力神1号导弹的一级发动机喷管的设计就有些粗暴了。或者严格说来，粗暴不粗暴是个主观印象，但是，这喷管实在是太粗了。嗯，不吐槽了。大力神1号导弹一级发动机喷管的扩张比为8比1。
小火箭千方百计找朋友提供的这样照片拥有一个绝佳的角度，可以让我们看到大力神1号导弹的第二级尾部四周的4台游动发动机（左上那台被巨大的二级主发动机喷管挡住了）。在第2季第3篇文章中，小火箭借助宇宙神洲际弹道导弹提到了游动发动机。 而大力神1号洲际弹道导弹的游动发动机的设计相较于宇宙神导弹来说，有个有趣的地方就是：她们不是独立的小发动机，而是借用了二级主发动机的燃气发生器的废气来产生推力。从上图可以清晰地看到从二级主发动机的燃气发生器向4台游动发动机供气的管路。这个设计充分利用了原本要排出导弹的废气，同时还省掉了4套燃烧室和8条输送管路。这4台游动发动机用来调节导弹的俯仰、偏航和滚转姿态。另外，她们还承担着调节导弹关机速度的作用，对导弹的命中精度有极为重要的影响。
大力神1号导弹的头锥。注意，其顶部采用金属蜂窝陶瓷和酚醛树脂浸渍二氧化硅制成的防热结构。
里面的W38核弹头长2米，直径81厘米,重1397.06千克，爆炸当量为375万吨TNT。后续的改进型有更大威力的弹头，那个小火箭准备放到下一篇里讲。
你的直觉是正确的。大力神1号导弹为了减重，她的燃料贮箱的外壳同时也就是导弹的弹体外壳了。（嗯，就一层，简单吧。） 不过，这对大力神1号导弹的弹体的加工工艺提出了很高的要求。当初技术工人拿到大力神1号导弹的弹体加工工艺卡片的时候，心情或许是崩溃的。 还好，幸好设计师遇到了好年代。那个时候，人们醉心于各种新颖的加工工艺。其中，大力神1号导弹就大大受益于金属棒材的精确挤压拉伸工艺和化学铣削工艺。 具体怎么做的？小火箭详细说： 大力神1号导弹的一级弹体壳体由12块铝合金壁板焊接而成。每块壁板宽955.89毫米，厚度仅仅只有1.297毫米。这些壁板是由铝合金棒料拉伸而成，里面的减重和凸起等结构都是用化学铣的方式制成的。 具体是什么铝合金？如果小火箭没记错的话，应该是2014-T6高强度铝合金。 这种铝合金的主要成分是铝，其他成分是：3.9%-5.0%的铜、0.5%-1.2%的硅、0.7%的铁、0.4-1.2%的锰、0.2%-0.8%的镁、0.25%的锌、0.15%的钛和0.1%的铬。 二级的用材料一样，只不过是用6块板子，而不是12块了。
离咱们最近的是3组发射单元。要注意的是，大力神1号洲际弹道导弹尚未掌握井下发射的技术，因此，这3组发射单元虽然在井里，但是这些井只能够叫做地下贮存井，而不能被称作地下发射井。真正开始掌握地下发射技术的是大力神2洲际弹道导弹，那是小火箭将在下一篇中要详细介绍的。 往远处一些的两个成对出现的像飞碟一样的地下建筑，左边那个是动力中心，右边那个是控制中心。 再往远处看，那一对地下圆柱体是互为备份的制导天线井。 大力神1号导弹的制导体制比较有意思。和冯·布劳恩千方百计摆脱导弹对地面设备依赖的思路不同。大力神1号导弹在设计伊始就采用了弹上的惯性导航设备和地面的无线电跟踪设备相结合的制导体制。
这就是正在建设中的控制中心和动力中心。有关控制中心的内容，小火箭会在下一篇将大力神2号洲际弹道导弹的时候再细说。此时，咱们主要关注离咱们很近的这个动力中心。 大力神1号导弹发射基地的动力中心是个飞碟状的地下建筑。具体来说，是个跨度为37米的拱顶结构和37根线缆和管路组成的大力神1号导弹基地的动力来源。 上图的这两个拱顶结构建好之后，会在外面填满土。拱顶的高度距离地面5.18米。
设备间、休息室等地下设施由这样的钢筋混凝土预制管连接起来。
管子相互连通，形成错综复杂的地下通道。
从动力中心的俯视图和侧视图上可以看到，大力神1号导弹基地的动力中心内部基本上是一个三层结构。动力中心的核心部分是4台柴油发电机。
每台柴油发电机的发电功率均为1000千瓦，这些电通过地下电缆供给指挥中心、制导天线和3个导弹发射单元。 大力神1号导弹的地下基地的动力用电为2400伏特、60赫兹的三相电。在上世纪60年代，这样的4台发电机组足够一个5000人的小镇使用了。
这是工程人员正在建设大力神1号导弹的发射基地一对制导天线井。
制导天线井建好后，有一部分是露在地面上的。
大力神1号导弹的地面制导雷达在需要的时候，会由制导井内部抬升到井的顶端。该雷达用来测量导弹质点与雷达站连线的俯仰角和方位角，从而为修正上升段弹道提供角度参考。
一名工程师正站在雷达旁边，这样我们能够对雷达的大小有个直观印象。
这就是大力神1号导弹的发射基地里面，用来计算弹道和解算弹道修正指令的计算机。这台计算机有个美丽的名字：“雅典娜”。
该电脑由雷明顿兰德公司研制。公司的名字有点耳熟？
二战后，雷明顿兰德公司没有闲着。他们开始琢磨电脑这个新兴事物，并在1949年推出了Remington Rand 409商业电脑。后来，该公司收购了造出ENIAC电脑（嗯，就是那个传说中的第一台通用计算机）的埃克特-莫奇莱电脑公司，开始大举生产电脑。上图为雷明顿兰德公司的UNIVAC I电脑，这是那个年代最成功的商业电脑。包括美国人口调查局、美国军方在内的很多单位都是该电脑的忠实用户。 不过，时过境迁，雷明顿兰德公司在今天已经少有人知了。在此，小火箭不禁想知道，几十年之后，苹果、英特尔、微软这些公司会不会也会像雷明顿兰德公司那样消失在历史的尘埃中呢？
从动力室走过一段180米长的走廊，就来到了大力神1号洲际弹道导弹的发射单元。
这是一口已经废弃的大力神1号导弹的贮存井。 这口井由钢筋混凝土建成，井内直径12.2米，井深48.3米。向上看，能够看到两扇盖子盖住了贮存井。 当年修这样一口井是很不容易的，需要动用3180立方米的混凝土和700多吨的钢筋。
这是一种预防核打击的措施。美国大力神1号导弹基地的设计师认为，一旦有核弹头在发射基地附近爆炸的话，虽然贮存井深埋于地下，可以躲过辐射和大部分冲击波，但是，核爆炸引起的剧烈震动会让井内的大力神1号导弹产生剧烈晃动，甚至会在井内倾倒。 于是，工程师把整枚导弹用一个重达482吨的钢架子在井内托举起来。为防止钢架倾倒，工程师用8根巨大的弹簧将钢架和井壁连接起来。弹簧被浇筑在井壁的混凝土里面，可以拉伸和压缩60厘米。 这样，即使是有核弹头在贮存井周围爆炸，钢架也会好好保护住大力神1号导弹，在井内以多次晃动的形式消耗掉由土壤传递而来的冲击能量。
这两扇门由高强度钢焊接而成，重106.1吨。每扇门大致为长方体构造，长7.2米，宽4.94米，厚1.058米。
4：大力神1号导弹在钢架的托举下，逐渐露出地面。
大力神1号导弹出井过程特写
大力神1号洲际弹道导弹完全升出贮存井的状态。注意，导弹尾部高出地面6米。钢架与导弹尾部相接的地方，有弧形导流板，以方便导弹尾焰向两侧排出，减轻地下贮存井的吞烟压力。
1961年3月22日，在卡纳维拉尔角发射的一枚大力神1号洲际弹道导弹。 大力神1号洲际弹道导弹，自1959年2月6日第一次发射到1965年3月5日最后一次发射期间，共发射70次，其中成功53次，发射成功率为75.71%。 大力神1号洲际弹道导弹的设计有效射程为10200千米，任务指标能够完全覆盖宇宙神洲际弹道导弹。其井下贮存技术和无线电辅助制导技术的发展促进了美国导弹工业开始向提高战时生存能力和二次核打击能力的方向发展。
不过，在70次发射过程中，工程师们逐渐发现了一些问题。比如，大力神1号导弹的液氧供应不够快速同时也不可靠、从贮存井升到地面的过程要执行100多个动作，过程繁杂且耗时、地面的制导雷达在战时容易受到干扰等。这些问题将在后续的大力神2号弹道导弹中得到解决。之后的洲际弹道导弹，将放弃液氧低温燃料，改为虽然有毒，但却能够在常温下贮存的偏二甲肼/四氧化二氮燃料体系。 另外，由于技术的持续进步，导弹终于能够从地下井中直接发射了。这些，就都是后话了，详见小火箭的后续分析大力神2号导弹的文章。本季将在大力神2号导弹之后完结，小火箭感谢大家的鼓励和支持！ 版权声明： |
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