二战中小胡子最爱刷火箭,绝对是当时的榜一大哥。即使是今天,也不好超越二战时期小胡子的记录。德三或是小胡子酷爱黑科技,只要能超越对手,必定是小胡子的钟爱。

在第二次世界大战结束后,德国对火箭的探索已经超越时代。其它领域也有很高的成就,可惜我们今天只聊“大火箭”,所以,只能在“火箭”领域简单讲讲。

德国A4型火箭(更广为人知的名字是V-2火箭),连同其设计者冯·布劳恩以及在佩内明德工作的百余名顶尖火箭技术专家,一同被带到了美国。然而,美国并非唯一对德国的“报复性武器”感兴趣的国家。

在苏联,A4火箭被大量复制,生产了数百枚,并开发了一些改进型。而在英国,A4火箭则在库克斯哈芬进行了试验,试验还吸收了那些曾在1945年3月27日之前向英国发射过3000多枚V-2火箭的德国军人参与研究。最后,这些火箭也被法国仔细研究,法国利用了由英美军队留下的多余装备进行相关开发和实验。

这些国家对A4火箭的研究和应用,推动了各自航天和军事领域的发展,为战后导弹技术的进步奠定了基础。



然而,在所谓的“德国黄昏项目”框架下,世界上第一种液体燃料系列弹道导弹(即V2火箭)的复杂而非凡的历史,还有一个鲜为人知的补充。这些项目在广泛的航天文献中鲜有涉及,原因包括数据不足、照片和图纸资料匮乏,以及缺乏实验阶段已完成的确凿视觉证据。

尽管如此,在本文部分展示的影片中,仍能找到一些画面,这些画面记录了首个原型火箭发射的过程。影片后来被送往美国国家航空航天博物馆(史密森学会)保存,与超过10,000份来自1939-1945年间的德国原始设计图微缩胶片一同存档。此外,这些资料还包括了所有的弹道与空气动力学研究。

这里提到的实际上是A4b型号,也就是带翼的V2火箭。除了其流线型火箭体带来的弹道性能(火箭体长宽比为8.50)外,这一型号还计划利用空气动力学性能。标准的V2火箭能够达到800米/秒的速度(相当于海平面上的马赫数2.35),并带有显著的终端动能余量。

尽管在佩内明德和亚琛的风洞中,以及腓特烈港的“齐柏林伯爵”亚声速风洞中进行的各种空气动力学测试使用的是字母-数字组合命名系统,但A4b这个名称是由韦恩赫尔·冯·布劳恩提出的。这一命名旨在借助1940年开始的基础型号A4(V2)的早期研究所确保的优先资金支持。



A4b型号专为佩内明德超音速风洞测试而设计。



A9型号采用哥特式轮廓的三角形机翼,在1941年6月进行风洞测试。

配备首个原型气动偏转器的A4b型号在“齐柏林伯爵”风洞中进行测试。



虽然在佩内明德技术部门中采用了A9的缩写,指代带有哥特式轮廓(也包括锯齿状)和非常小展弦比的三角形翼设计,但在一个更加雄心勃勃的计划——A9/A10“美洲”项目框架内,A4的缩写后被添加了“b”这个字母,其含义为“bastard”(意为“非传统设计的产物”)。相比A9项目,A4b提出了一种中间解决方案,即采用常规后掠翼以及多种形式的改进型气动偏转器。

为A4火箭配备机翼的目的是将普通V2火箭的射程从最大300公里提高到700-750公里,使其能够将苏格兰的重要城市格拉斯哥纳入潜在目标范围,并弥补在1944年6月盟军在诺曼底登陆后,德国在法国、比利时和荷兰丧失发射基地所造成的影响。

从加来到格拉斯哥的A4b飞行轨迹。下方为A9/A10火箭系统的飞行轨迹。



A4-V12c

自1945年以来,所谓带有机翼的V2火箭一直被称为“A4b”,这一名称也被冯·布劳恩在1945年6月与英美当局的首次会谈中使用。然而,从技术角度来看,这一命名非常不准确,给火箭科学家在研究文件时带来了不少困难。事实上,这一缩写并未出现在任何相关机构的技术文件中。无论是由工程师路德维希·罗特(Ludwig Roth)领导的彭明德先进设计局(负责所有新提案并与冯·布劳恩及中央技术局工程师瓦尔特·里德尔协调),还是上述提到的风洞实验室提交的几十份技术报告,尤其是由博士赫尔曼(Dr. Hermann)领导的超音速风洞部门,文件中均未提及A4b。

尽管如此,从1941年开始,特别是自3月起,几乎每个月都会进行关于增加飞行射程的新研究,其中包括一项研究涉及一种非常现代化的V2飞行阶段模拟器。在所有这些报告中都没有提到A4b,而所谓的“滑翔火箭”(“Gleiter”)在文档中被称为A4-V12c。这一缩写中的“V”并不表示“Veruchsmuster”(原型)或“Vergeltungswaffe”(报复性武器),而是单纯的“Vorschlag”,即“建议的空气动力学形状”。

根据彭明德自其实验基地位于柏林库默斯多夫时期起采用的字母-数字命名系统,A4b可解释为:

“基于A4基础型号的空气动力学机体,配有在A5模型上开发的第12号提案的尾翼设计,以及45°后掠角的‘c’型机翼。”

几乎可以确定,正是由于这一原因,相关信息至今仍仅限于发射场拍摄的少量照片,主要是第一架原型机起飞后几秒钟内被摧毁的图像,以及一些(有时甚至不准确的)A4b发射日期记录,却没有关于其飞行的任何直接证据。

尽管质量有限,文章中展示的图像是作者通过手工方式获得的,来源于当时拍摄的一部影片,终于为相关证据提供了支持。同样地,正如将在A9/A10“Amerika”火箭系统项目的注释中详细说明的那样,由于针对A9最终阶段提出了多个提案,最终选定了A4-V13e(带有哥特式剖面的三角翼)和A4-V12f(带有锯齿形剖面的三角翼)。这两个提案(A4-V13e和A4-V12f)被指定为带有单引擎的A10最终版本(A10B)的一部分。

A9火箭(A4-V13e)带哥特式剖面的三角翼的横截面



A9火箭(A4-V12f)带锯齿形剖面的三角翼的横截面



在战争结束后,巴黎的库兹韦格博士(Dr. Kuzweg),赫尔曼博士的助手,在一份官方报告中写道,对于所谓的A4b的尾翼,已经测试了不少于16种不同的形式,其中考虑到了由飞行高度增加而导致的喷口气体扩展所产生的危险空气动力学干扰。

最终,选择停留在了第1号提案(Vorschlag V-1),因此“b”型号的尾翼形状与常规V2火箭的尾翼完全不同(除了在最终版本的原型中展示的几种尾翼变种,这些变种参考了为Wasserfall C-2防空火箭进行的研究)。

德国技术专家在与英美当局代表的对话中使用的缩写引发了混乱,给对方留下了V3和V4项目也存在的印象。通过翻译科学研究,尤其是编号为600/197的气动试验报告(“Graf Zeppelin”)中的试验结果,这些报告比较了V12c、V12f和V13e的最佳设计方案,最终澄清了这一情况。



A9火箭的木制模型,采用了被称为“锯齿形”的尾翼气动设计(A4-V12f),在“Graf Zeppelin”齐柏林风洞中进行了测试,并且测试结果与“哥特式”翼型和后来的锐角翼型进行了比较,后者最终被采纳用于1945年制造的两个A4b原型。

A4b的开发

尽管为增加火箭的飞行距离并避免被拦截,安装翼部以确保足够的末速度的想法已有较长历史,但该项目的历史相当复杂(值得稍作提及的是,A4b所选的设计方案并不是在面对某些气动弹性力时最安全的)。首先,因为该项目的工作经历了多次启动、暂停和恢复,具体进程取决于战斗行动的进展。

早在1928-1929年,德国奥斯纳布吕克的工程师赖因霍尔德·蒂林(Reinhold Tiling)就预见到制造带翼火箭的可能性。实际上,他开发了一种火箭,配备了使用压制黑火药的发动机,并且有四个长稳定器。其中两个稳定器通过专用弹簧系统驱动。当火箭开始下降时,这一系统会启动,稳定器展开,从而将火箭转变为一架小型滑翔机,显著增加了飞行距离。

发明者的目的是使火箭能够回收并重新使用。从军事角度来看,稳定器折叠系统在飞行轨迹的最后阶段能够加速,并快速穿过防空火力区,从而更有效地打击目标。

1931年4月15日,赖因霍尔德·蒂林(Reinhold Tiling)所开发的火箭达到了2000米的高度,飞行距离为18公里,即效率系数为9。因此,在火箭技术发展的初期,且在著名的佩讷明德火箭中心成立之前,赖因霍尔德·蒂林(Reinhold Tiling)就展示了制造带翼的弹道火箭的可能性。如果将蒂林火箭的效率系数应用到V2火箭上,V2火箭如果装备了翼部,在抛物线轨迹上能够达到85公里的高度,在合理使用气动特性的情况下,飞行距离可以达到765公里。

注:赖因霍尔德·蒂林(Reinhold Tiling)(1892年-1947年)是德国的一位工程师和火箭技术先驱,主要以其早期对火箭和飞行器的设计研究而闻名。他是20世纪初期火箭技术领域的重要人物之一,尽管他的贡献常常被埋没在更著名的火箭科学家(如冯·布劳恩)的阴影下。蒂林陨石坑(Tiling)是位于月球背面南半部一座较小的撞击坑,其名称取自德国火箭工程师赖因霍尔德·蒂林(Reinhold Tiling,1890年-1933年),1970年被国际天文学联合会批准接受。

注:佩讷明德在第二次世界大战时期曾是德国V1和V2火箭的研制基地。在第二次世界大战中,该地区高度参与了V-2火箭的开发和生产,直到生产迁至诺德豪森。从波罗的海的测试发射中恢复V-2残骸的船只使用了该村的码头。在V-2工厂工作的德国科学家韦恩赫尔·冯·布劳恩被称为“Peenemünders”。整个神秘基地在1945年5月5日被苏联红军占领。生产液氧的燃气厂仍然在佩讷明德的入口处被遗弃。

战后这里成为苏联海军基地,直至1952年才移交给东德的武装部队,军港设施是由东德在第一次使用Seepolizei(海警)警察新设施后,汽艇,便已建成。1956年12月1日东德的第一舰队总部人民海军(海军)在佩内明德成立。



赖因霍尔德·蒂林(Reinhold Tiling)工程师站在几枚带有可变几何稳定器的火箭旁,稳定器展开后可成为滑翔飞行阶段的翼梁。赖因霍尔德·蒂林的火箭能够达到2000米的高度,飞行距离为18公里。

工程师赖因霍尔德·蒂林(Reinhold Tiling)与他的带有可变几何稳定器的火箭模型合影,稳定器处于折叠状态。



可调尾翼的设计给当时在库梅尔斯多夫(柏林)建立的研究小组留下了深刻印象。该小组的骨干成员包括当时的负责人沃尔特·多恩贝格(Walter Dornberger)上尉和年轻的冯·布劳恩(Werner von Braun),这使得工程师鲁道夫·内贝尔(Rudolf Nebel)说服蒂林加入该小组。然而,赖因霍尔德·蒂林(Reinhold Tiling)的答复是否定的,随后这位来自奥斯纳布吕克的孤独研究员因在实验室内压制发射药时发生爆炸而丧生。

尽管后来A4b采用了固定的后掠翼,冯·布劳恩在他1952年的著作《火星计划》(Marsprojekt)中,为他设计的火星宇宙飞船的最后一级预想了一个固定翼的版本,同时也提出了带有“伸缩式或可调翼”的改型。

A5-V12c

在文章开头提到,技术上正确的V2带翼型号缩写为A4b,实际上至少到1941年5月(尽管A4大型弹道导弹项目在由工程师Ludwig Roth和Walther Riedel领导的设计办公室中进行),所有技术报告和气动管试验结果都与标记为A5-V12c的带翼导弹相关。A5标记属于一款代表A4最终型号缩小版的导弹。A5导弹在1937-1938年间开发,装备了液体火箭发动机,使用稀释的酒精和液氧作为燃料。尽管在1940年12月,来自美国航空航天博物馆的文件显示已完成了A5地面发射和A5-V12c飞机发射的计算(标记为A7)。直到1942年10月25日,He 111轰炸机才将这一型号带至6000米高空,其飞行距离为15公里。



A7模型(A5-V12c),旨在安装在He 111轰炸机上,从6000米高空投放。这些滑行试验是A4b导弹开发的一部分。

然而,自1941年6月起,关于A4-V12c(A4b)型号的报告开始出现。A4b模型的报告出现的原因之一是,动力系统的显著进展,其起飞时的额定推力为25吨。



A4b木制模型,用于A4-V12c配置,选择作为A9/A10 Amerika——旨在打击美国大都市的洲际弹道导弹项目的初步折衷方案。

在液体火箭发动机部门负责人W. Thiel博士的指导下,1939年春,发动机被安装在1号测试台(Prüfstand I)上,该测试台已调校并能承受200吨的推力。实验发动机经历了数百次测试,以改进燃料喷射系统(影响燃烧室长度)和混合再生冷却与薄膜冷却系统。

到1940年3月21日,在经历了成百上千次测试和多次修改后,终于取得了历史性的成果:发动机连续工作了70秒——这是A4项目程序中设定的时间。

在有效压力为14.5个大气压(14.3巴;1.47兆帕)的条件下,未使用石墨挡板,导致起飞时损失700公斤推力,且喷嘴扩展系数达到极限,导致零高度时喷气流不稳定,推力为27125公斤,消耗125公斤/秒的水-酒精混合物(25%水)和液氧,因此比冲时间为217秒。这些结果在质量比方面非常令人满意,从而提高了有效载荷的投送能力。

此外,1942年10月3日,第四个A4导弹原型从波罗的海沿岸发射场起飞,达到了190.64公里的高度,末速为800米/秒;在测试台上,使用氮酸和煤油的发动机在40个大气压(39.5巴;4.05兆帕)下分别达到了225秒和230秒的比冲。为A9/A10 Amerika的推力180吨(真空中为200吨)的大型发动机奠定了基础。

然而,在1942年10月底,冯·布劳恩的团队被命令暂停带翼导弹的研究,集中精力开发A4导弹。但在冯·布劳恩默许的情况下,由Ludwig Roth领导的设计办公室继续进行了一些研究,首先是因为冯·布劳恩将太空探索视为他的最终目标,而不仅仅是战争的结局。

因此,在佩讷明德(Peenemünde)档案中,尽管面临重大困难,但大量的研究成果依然积累,其中包括从1941年6月到1942年6月间进行的研究。这些研究中包括A4-V12c(A4b)导弹的轨迹计算,射程为4060公里的大型两级导弹轨迹计算(报告IP 4264,1941年10月),飞行稳定性测试,带有哥特型三角翼和锯齿型三角翼的A9导弹气动试验(A4-V12f),以及总体结构分析(报告ZWB/WVA/Re/190)。

汉诺玛格(Hanomag )SS100 Vidalwagen



项目的恢复工作

在英格兰战役的失望之后,小胡子再次将注意力转向A4(V2)项目,并在1944年6月6日诺曼底登陆后,随着接下来几个月在法国、比利时和荷兰的失利,特别是在1944年8月11日,冯·布劳恩和沃尔特·多恩贝格承诺提供一款能够打击433公里远目标的A4带翼导弹(A4b),使得对这一概念的兴趣大增,尤其是在增加飞行距离方面。

尽管在导弹研发团队中有成员牺牲(发动机设计师W. Tilly于1943年8月17日死于佩讷明德的轰炸),但在这一方向上的工作仍稳步推进。A4b的设计进行了多次改进,尤其是在气动方面,这些改进源自C-2 Wasserfall防空导弹的试验结果(1944年6月成功发射了三枚C-2导弹)。这些设计变更如此显著,以至于A4b第二个原型的尾部控制面与C-2相同。



接下来,成功地解决了随着飞行器油箱排空而导致的气动中心和重心相对位置的问题。此外,A4b项目吸引了270名技术专家参与。

其中一个根本问题是火箭表面在再入地球大气层时的过热问题。这个问题相当严重,以至于在初期的V2导弹试验中,335枚火箭在短时间内被损失,尽管这一研究自1938年起便开始了(归档编号:Nr.66/4 Dr. Eber/1938/Peen.)。

尽管面临许多命令和取消命令的挑战,这些问题最终得到了解决,因为冯·布劳恩没有像之前承诺的那样严格要求在短期内展示能够将A4(V2)火箭的射程至少增加到433公里的原型。例如,尽管纯弹道导弹A4在45°到49°的发射角下具有最大射程,但A4b的发射角度必须达到52°。还确定了最佳的机翼面积,气动管试验表明该面积应为20平方米,但在实际操作中则为14平方米。此外,尾部控制面的最佳面积应为1.49平方米。



因此,尽管A4b的翼展保持为6.05米,但其相对展弦比从气动管试验的1.83增加到原型的2.60。由于增加了机翼和控制面,A4b的重量比普通V2火箭增加了350公斤。在初期计划阶段(第一阶段),每平方米机翼的比重约为320公斤,并保持相同的战斗负荷(1000公斤)。至于机翼的设计及其超音速气动轮廓,由于在美国档案和慕尼黑博物馆的档案中没有明确的记载,可以合理地推测,长期在“圭多尼亚”工作并从事气动管试验的工程师Lattanzi的说法接近事实。Lattanzi工程师表示,来自“圭多尼亚”试验中心的Ferrari教授曾多次访问佩讷明德,而“圭多尼亚”当时拥有最先进的超音速气动管。1941年,由赫尔曼博士领导的气动管,工作尺寸为10厘米×10厘米(自1939年11月起使用),只能校准到M=1.2的速度,而为了获得更高速度(至少到4.4马赫),显然需要更高性能的气动管。

1941年,意大利教授安东尼奥·费里(Prof. Antonio Ferri,后移居美国)研究的带有前后尖缘的超音速气动轮廓在一些德国专业期刊上刊登。因此,有充分的理由认为,A4b的“极地”设计和A9项目中的火箭方案是基于意大利“7D”型轮廓设计的,该设计在达到M=2.29时表现良好,并已相应地改进至适用于M=4.4的速度。

注释:哥特式机翼轮廓是一种前缘呈抛物线形的轮廓。

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