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原创 2017-01-12 邢强 小火箭 本文作者：邢强博士 好久不见！万分想念大家！ 本文是小火箭经典导弹与火箭系列文章第4季的第2篇。在之前的文章中，小火箭分析了液体火箭发动机以及使用液体火箭发动机的土星-5号、N-1、宇宙神等多种火箭与导弹。在本季，我将以固体火箭发动机的综述文章开篇，继续咱们的导弹与火箭之旅。本季第1篇，小火箭综述了用于火箭、战略弹道导弹和战术导弹的多种固体火箭发动机。
固体弹道导弹概念的提出
据俄罗斯塔斯社报道，在俄罗斯国防参谋长会议上，弗拉基米尔·普京表示：“俄罗斯如今比任何潜在的侵略者都强大。”并且他给“强大”增添了较为详细的注解：“俄罗斯军队有能力击退国家可能面临的任何威胁。俄罗斯需要加强战略核力量，应当研发能够穿透任何当前和未来导弹防御系统的导弹。” 这番话在媒体上公布仅仅数小时后，美国当选总统特朗普就在他的社交平台的账号上高调表示：“在全世界在核武器问题上清醒过来之前，美国必须大力加强并扩大核能力。” 当人们再次把目光投向美国的核武库时，一定会对那些整装待发的民兵III型洲际弹道导弹产生兴趣。但是，实际上，作为美国乃至全世界固体火箭发动机洲际弹道导弹的开篇之作，民兵导弹的发轫要追溯到上世纪中叶了。 本着在技术发展史上追本溯源的精神，小火箭先带大家回到上世纪50年代。 一名哨兵正在美国战略空军司令部前站岗。 上世纪50年代，美国开始大力推动战略核打击力量的建设。由此，诞生了大力神、雷神等多种核导弹。 注意，上图的“Peace is our profession”（维护和平是我们的专业），这句话是美国战略空军司令部的箴言。（唉，怎么说高兴就怎么说吧，关注技术细节的我们暂且不用计较这些。） 一枚正在发射的大力神弹道导弹（详见小火箭的公号文章《大力神1号：美国最早的二级洲际弹道导弹》）。 一枚正在发射的雷神弹道导弹（详见小火箭公号文章《雷神导弹：跨越大西洋，瞄准莫斯科》）。 到上世纪50年代末和60年代中期，以大力神洲际弹道导弹和雷神中远程弹道导弹为代表的以液体火箭发动机为动力的洲际导弹成为了刚成立不久的美国空军的主要核打击力量。但是，刚刚从英国部署完“雷神”导弹回到美国的霍尔博士与美国空军的施利弗已经开始意识到了液体火箭发动机的不足了。 霍尔博士提出了研制全部以固体火箭发动机为动力的洲际弹道导弹并尽快退役液体火箭发动机弹道导弹的设想。液体火箭发动机洲际弹道导弹正处在巅峰时期，这个想法刚一提出就遭到了巨大的阻力。霍尔博士甚至被很多人背地里称作“美国洲际弹道导弹的破坏者”、“核力量的毁灭者”。 虽然霍尔博士陈述了固体弹道导弹拥有反应快、维护保养方便、保存期长以及生存能力强等诸多优点，并最终还是争取到了一些研究经费。但是，开头总还是不顺利的，毕竟能够向一万多公里之外投掷巨大的核弹头并且要求有相当高的精度的固体弹道导弹，需要用特殊设计的固体火箭发动机，这在之前是没有先例的。 1955年底，霍尔博士提出了攻克固体洲际弹道导弹发动机的4大技术要点： 第一：推力方向控制技术； 第二：大型壳体加工工艺； 第三：发动机内壁隔热设计； 第四：高精度推力终止方案。 支持霍尔博士的工程师们开始分头攻克这4个技术要点。 飞速的入役过程 1957年春天，美国海军的工程师们报告，他们的一台推力达27.3吨的固体火箭发动机试车成功！这宣告了第二和第三项技术被攻克。 1957年冬天，Thiokol公司的10吨级可控固体火箭发动机试车成功。第一和第四项技术被攻克。 1958年1月，工程师团队正式向美国空军、美国国防部和美国国会提交报告。同年2月，项目被批准，随大批经费而来的，是要求这种导弹尽快入役的期待。 欣喜若狂的霍尔博士与美国空军一起，将该项目命名为 “民兵”。 其中有2层含义： 这种导弹在美国广袤的陆地上随时待命，就像民兵一样； 这种导弹可以随时发射，准备时间很短，就像训练有素，可以随时响应征召的民兵一样。
1958年10月，波音公司中标，成为民兵固体洲际弹道导弹的主承包商，负责导弹的制造、测试和维护。 1959年夏天，民兵I型导弹的全部三级固体火箭发动机依次点火测试成功，出乎意料地顺利。
同年，美国空军决定追加10亿美元投资和大量人力，加速民兵导弹的入役过程。（小火箭根据从1961年到现在的美元通货膨胀率与相对人力成本，反推得知，当年的追加投资相当于2017年1月份的117亿美元。） 1962年圣诞节之前，民兵I型洲际弹道导弹正式入役。 小火箭在这里觉得值得一提的是，这是武器装备史上少有的试验型号直接正式入役的案例。 从1958年2月立项到1962年入役，民兵I型导弹仅用了4年时间。 从1955年霍尔博士提出固体洲际弹道导弹的概念到1961年首枚民兵I型导弹试射成功，用了6年时间。 6年前，几乎所有人都说这是天方夜谭，只有少数一些被视作偏执狂的工程师在坚持探索。而到了1961年，民兵导弹项目已经成了国会认定的第一优先导弹项目。 民兵I型导弹以试验弹的状态直接正式入役，比当时最乐观的估计还要早了1年。而这其实还不足以说明固体弹道导弹的魅力，因为新事物的诞生与蓬勃发展总是要以旧事物的匆匆谢幕为背景才更能显示出她的生命力。 如果你是一名美国空军军官，而恰好在1965年巡视战略弹道导弹基地的话，你会发现，各地都在抓紧时间替换导弹。刚刚入役没几年的宇宙神导弹和大力神I型导弹，作为液体火箭发动机导弹的杰出代表，正被一台台吊车吊起后，用卡车运出基地。而在1965年夏天的时候，民兵I型导弹的装备数量已飙升到800枚！ 小火箭翻阅了波音公司那段时期的相关记录并稍作统计，发现：从1958年波音拿到订单到1967年4月份，这9年时间，波音生产并协助部署了整整1000枚民兵导弹。直接参与到民兵项目中的波音员工，前后多达39700人！ 噢，差点忘了补充一句，在1965年之前，所有的宇宙神导弹和大力神I型导弹都已退出现役。1965年，这些导弹开始陆续出现在美国各地的博物馆中，而10年前，大部分人还在惊叹这种液体火箭发动机洲际导弹的射程，并嘲笑固体导弹的设想不切实际呢。这就是技术发展的速度。 民兵导弹的总体设计
民兵导弹的第一级固体火箭发动机由Thiokol公司设计生产。对，就是那个在1957年冬天率先攻克固体火箭发动机若干关键技术的公司。这家公司在后来基本上成了美国固体火箭发动机的技术担当。
民兵导弹的第一级的固体装药为六尖星型，燃烧时间为60.8秒。 说起固体装药，小火箭在这里想要多说几句。固体火箭发动机性能的关键就在于装药的配方和浇铸工艺。 通过将近2年时间的整理，在许多小火箭好友的大力支持下，小火箭终于拿到了民兵系列导弹的固体装药详细配方。在此，与所有好友分享： 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 （有关过铝酸盐的性能以及铝粉的作用，详见小火箭的公号文章《聊聊固体火箭发动机的推进剂》，也就是经典火箭与导弹系列文章第4季的开篇。） 民兵II型洲际弹道导弹的第一级固体装药配方为： 71.5%的过氯酸铵+14.1%的聚丁二烯丙烯腈+铝粉 可以发现，民兵II型导弹开始弃用聚丁二烯丙烯酸了。这期间经历了上百次试验。聚丁二烯丙烯酸的力学特性不够理想，换用聚丁二烯丙烯腈之后，民兵导弹的可靠性大幅提升。 民兵III型，也就是美军现役的陆基洲际弹道导弹的第一级固体装药配方为： 73.2%的过氯酸铵+15.6%的铝粉+9%的端羟基聚丁二烯+聚丁烯 现役民兵导弹大幅采用高密度推进剂，使得导弹在体积没有发生较大变化的前提下，装药重量得到显著提升。 实际上，民兵III型洲际弹道导弹的第一级发动机的装填密度达到了94.15%。这一点是民兵导弹一切优秀性能的前提。
借助这枚在犹他州火箭公园陈设的民兵导弹，小火箭刚好可以说一下固体火箭发动机用来控制方向的方法。
4个喷管可以转动。当火箭要在俯仰方向调整姿态时，上图这2个喷管就这样偏转。
当导弹要在偏航方向调整姿态时，喷管就这样偏转。
当导弹要绕自身纵轴旋转时，喷管可以这样差动偏转。 不过，看似简单的原理，背后却也有着材料学和加工工艺学的难题。在之前，小火箭的液体火箭发动机系列中，曾经说过液体火箭发动机喷管大多为夹层结构，燃料在里面流动，可以冷却喷管同时预热自身。但是，固体火箭发动机没有这样的冷却条件。 当年给出的解决方案是：硬扛。 这些喷管的承力结构用钢、二氧化硅和酚醛组成。关键部分则是多晶石墨和钨合金（嗯，就是早些年的白炽灯泡里面的钨丝，这家伙的熔点为3422℃，足堪大任。）
民兵导弹的第二级固体火箭发动机由大名鼎鼎的AeroJet公司研制。 AeroJet公司由西奥多·冯·卡门博士（钱学森博士的导师）在1942年成立，总部设在加利福尼亚州萨克拉门托市。整个上世纪40年代，钱学森博士都是该公司的高级技术顾问。在上世纪60年代，AeroJet公司是美国最大的火箭发动机研究、试验、生产基地。 仔细看上面的第二级发动机，小火箭发现，这只有1个喷管，并且外面没有作动器。那么，第二级是如何实现对导弹的姿态和弹道进行控制的呢？ AeroJet公司发明了液体喷射控制方法。（就是在喷管内特定位置喷射特殊液体，以便控制该区域的火焰，从而控制火箭推力的方向，这个小火箭以后专门写一篇文章来详谈吧。） 不过，AeroJet选用的喷射液体不够环保：他们用的是氟利昂。 民兵导弹的第三级是Thiokol公司研制的。大量采用玻璃纤维复合材料来减重。 民兵导弹的第三级燃料里面掺入了硝化纤维和甘油三醋酸酯，因此，小火箭建议大家离民兵导弹的第三级稍微远一点点：外壳薄、还不是金属的，不够结实，而且装药中掺入了高能但是脾气不太好的物质。为了提升性能，美国工程师们也是蛮拼的。
说起外壳，按照小火箭的风格，一定是要精确得知其材料标号了。 民兵导弹的第一级用超高强度钢制成。具体标号为：D6AC。（熟悉材料学的同学见到这个标号，一定会立刻想到 F-111战斗机的可变后掠翼转轴、航天飞机固体助推器的壳体、爱国者防空导弹的外壳等等） 这种含碳量在0.38～0.43之间的超高强度合金结构钢应用广泛，不过就是有个小缺陷：时间长了会锈。比如上图的这枚露天摆放的民兵导弹的第一级。 咦？那为什么第二级和第三级没有生锈呢？ 哈，民兵I型导弹的试验型民兵IA当年的第二级也是用的D6AC合金钢。但是，后来为了追求更好的性能，从IB型开始，就使用钛合金了。 具体是什么标号的钛合金？ 答：是Ti-6Al-4V。当然了，如果你想造一枚这样的固体火箭发动机的话，买材料的时候，飚这种标号估计不太容易和国内的卖家沟通好。其实这个就是TC4钛合金。买的时候，直接说要TC4钛合金就好了。只不过硝基二苯胺和苯间二酚需要通过正规渠道购买，另外，硝化纤维等危险品需要有危险品资质，这些不再赘述。 第三级用80%的玻璃纤维和20%的环氧树脂缠绕而成，当然也不会生锈。
在太空，民兵导弹靠这个舱段来控制自己。中间的两个大圆柱罐子分别是燃料和氧化剂储罐。四周则是俯仰、偏航和滚转控制喷口。这一段的作用与运载火箭的上面级是极其类似的。
这家伙在太空工作起来是这个样子的。
再往上，就是民兵III型导弹的大脑——制导控制系统的核心区段了。 靠近左侧，上面那个戴红色安全帽的小哥正在小心翼翼地放置的，是民兵导弹的弹载计算机。看起来有点方。 上图右侧的红色安全帽小哥这在给一个圆球接线。这个圆球里面就是传说中的陀螺仪。陀螺仪用来给民兵导弹提供方位基准，是导弹保证弹道精度的关键。有关陀螺仪，小火箭会专门写一个系列。 弹载计算机和陀螺仪的左边，有个大盒子，里面是电池和电力分配单元。右边的大盒子是各种进行初始设置的开关和跳线。 小火箭觉得，民兵导弹从I型发展到III型，变化最大的当属弹载计算机了。
上面3张图是民兵I型导弹的弹载计算机。别数啦，一共19000个元器件！ 不过，民兵I型导弹的平均无故障时间为1750小时。这在当时，真的很难得。
嗯，这是民兵I型导弹的弹载计算机中的其中一块电路板。（有没有想起小时候拆的老式收音机？）
这粗犷的焊接，被灵魂导师指引的布线，隐约有一些苏联味道。
到了民兵II型，弹载计算机（中部靠下的那个）就小巧多了。上面那个圆球里面，是2台气浮双自由度球形陀螺。每个陀螺仪重2.19千克。 民兵导弹的制导控制系统由查尔斯·斯塔克·德雷珀博士负责。（嗯，就是麻省理工学院的德雷珀实验室的那位德雷珀博士。阿波罗计划的火箭和飞船的制导控制系统也有他的重要贡献。） 同样的技术，用在弹道导弹上和用在登月飞船上，其去向是不可控的。或许能够让我们潜心关注的，应当仅仅在技术本身。
再往导弹的上面说，就是弹头了。
早期的试验弹头
后来，民兵I型洲际弹道导弹选用了MK5型核弹头。该弹头重450千克，为钝锥形+圆柱中段+裙状尾端结构，爆炸当量为60万吨TNT。
弹头放热也是采用了硬扛的方式，选用了以钼合金来增强的二氧化硅陶瓷结构。
再后来，民兵导弹开始选用MK-12和MK-12A弹头。
再后来，则开始更加注重突防能力，使用了多弹头技术（比如3个当量为17.5万吨的子弹头）。 噢，对了，关于MK-12子弹头的再入姿态稳定问题，小火箭要补充一下：没有裙段的弹头，是靠每秒旋转2周的转动来稳定的。
在960km处，平台开始沿弹头轴向依次投放子弹头。每次投放之后，平台继续机动，进行变轨和调姿，为下一枚子弹头的投放做好准备，直到三枚弹头全部投放完毕。按这种投送方式，3枚子弹头的落点的横向间隔可达104km，纵向间隔更是达到了480km，避免了被一枚拦截导弹全部摧毁的风险。 另外，民兵III导弹的分导式弹头比民兵II导弹的单弹头加诱饵弹头的方案有更强的突防能力。上世纪60年代的单弹头导弹的突防手段主要是诱饵弹头。诱饵弹头在高空有着以假乱真的效果，能较为有效地迷惑防守方的雷达。但是诱饵弹头比真弹头轻得多，在进入空气较稠密的低空时，其弹道特性与真弹头就有了较大区别。防御方掌握了这一规律之后，诱饵弹的效果便开始大打折扣了。而分导式多弹头则造成了饱和攻击的态势，任何一枚弹头漏网都会造成巨大破坏。 但是，分导式多弹头技术的发展并不是一帆风顺的，有关单弹头与多弹头的争论从未停止。民兵III多弹头导弹与民兵II单弹头导弹的弹径相同，都是1.67米，但前者的起飞质量比后者重了2.75吨。从弹头的配置情况来看，民兵II导弹的单弹头威力为1.2MtTNT当量，而民兵III导弹MK12型弹头有3个子弹头，每个子弹头的当量只有175KtTNT。按总当量计算，MK12的威力只相当于民兵II的MK11型弹头的43.75%。以当时的技术水平，即使大幅增加了导弹的起飞质量也很难进一步提高多个子弹头的当量。这样的威力损失使人们对分导式技术的发展有了不同的意见。 但是，后来，民兵III以200米以内的打击精度大幅弥补了其当量的不足，作战效能远超大当量的单弹头设计。（详见小火箭的公号文章《战略导弹多弹头技术的由来与发展》）
民兵导弹发射的场景。还记得之前小火箭在本季系列文章的开篇对过氯酸铵的白雾与端羟基聚丁二烯的棕黑烟的描述么？这枚民兵导弹将这些充分展示了出来。
民兵III型导弹的弹道计算
几经周折，终于还是凑齐了民兵III型导弹的所有关键数据，到今年，终于算好了她的弹道，前后历经1年多的时间。 导弹发射位置取了某民兵III型导弹基地的真实坐标。为避免引起不必要的纷争，隐去了目标坐标。 打了这枚弹之后，基本上可以确定，民兵III型导弹的最大射程在1万公里以上。（这次弹道计算考虑到再入突防，用了比较保守的射程，发射点到目标的大圆距离为9457.166公里）。 弹道最高点距离WGS84标准大地模型的高度为1018.532公里，最大速度出现在再入大气层不久处，为Ma 23.12。
另外，计算了第一级和第二级的落点。第一级落于美国境内，距离发射井439.5561公里处，第二级则落到了加拿大境内。（导弹从北极上空飞过） 下一篇，小火箭将讲述民兵导弹的部署情况（历史更迭与现状），看看这450枚民兵导弹具体都部署在哪些地方，又是怎样部署的。 最近因自己的身体状况，耽误了小火箭的更新，请大家见谅！ |
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