雷神导弹：跨越大西洋，瞄准莫斯科
微信号：小火箭
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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与运载火箭系列文章第3季的第1篇与第2篇合辑。在本文中，小火箭将介绍美国“雷神”弹道导弹。（导弹的总体设计、材料、发动机、弹道计算、反卫星试验以及这款导弹改造为运载火箭后，发射了NASA的第一枚探测器的历史。）
与如今动辄上万千米射程的导弹不同，在上世纪50年代，射程超过2400千米的导弹已经开始被一些人称作“战略导弹”了。
雷神导弹便是这类导弹当中较早出现的一款。被苏联人飞快的发展速度震慑到的美国，开始大幅向弹道导弹技术中投入研发经费。
雷神（Thor），是北欧神话中负责掌管战争与农业的神（体现了国防部与农业部优良的合作传统）。与美国导弹研发部门喜欢用希腊/罗马神话中诸神的名字来命名导弹的习惯不同，这次他们请来了北欧的神。
雷神的职责是保护诸神国度的安全并在人间巡视农作物的生长情况。北欧人相传，每当雷雨交加之时，雷神就乘坐马车（更古老，更正宗的传说是赶着黑羊拉的车）出来巡视。雷神勇敢善战，力量相当巨大，在神话中甚至可以单挑一群巨人。当然，他那把锤子在后来的影视作品中更是广为人知，这里就不再赘述了。
掌管农业的雷神能够拥有巨额的财富和权力，为其打造并掌控那把自带打雷功能的锤子创造有利条件。与雷神的经历类似，充足的经费和优先发展的政策让雷神导弹拥有了飞一般的发展速度：
1955年12月，签署研制合同；
1956年7月，完成详细设计；
1957年1月，首枚弹下线；
1957年10月，导弹试射成功；
1958年12月，导弹量产；
1959年10月，正式装备部队，形成战斗力。
从合同签署到形成核威慑力，前后不足4年时间。
值得一提的是，除了经费相对充足之外，雷神导弹能够快速实现量产的另一个原因是该弹的主承包商是道格拉斯公司。
1955年11月30日道格拉斯公司、洛克希德公司和北美飞机公司参与竞标雷神导弹的弹体制造合同。同年12月27日，道格拉斯获胜，赢得了量产合同。
道格拉斯为雷神导弹配置了专门的生产线。（有关道格拉斯公司，详见小火箭的公号文章《DC-8:见证一个时代的远去》）
第二次世界大战期间，道格拉斯公司生产的DC-3（军用版本叫做C-47）被公认为盟军最好用的运输机，同时也在驼峰航线等行动中与抗战中的中国有了交集。16079架的产量本身也足以说明这款飞机的成功。图为北欧航空的一架DC-3运输机飞行在瑞典利丁岛上空，摄于1989年。
二战结束后，道格拉斯公司延续了其辉煌的成绩，长期稳居运输类飞机制造商老大的位置。对机身制造工艺有着独到见解的道格拉斯公司生产起同样由铝合金构成的雷神导弹的弹体来说，自然是游刃有余。
雷神导弹出厂的照片，摄于1959年。（只有弹体，还未安装弹头）
雷神导弹全长19.28米，弹体直径2.44米，采用一级构型。空重3.125吨，发射重量49.8吨。
细心的你可能已经发现了，这枚导弹上面没有美国空军的标志，取而代之的是英国皇家空军的标志。
一款武器装备的联合研发或者是出口，其背后往往有着深刻的战略考量。雷神导弹的研制、生产甚至是发射训练都在美国进行，而实际上，该型导弹最终装备的5个中队，却都不在美国。（4个在英国，1个在土耳其。）
1956年，苏伊士运河危机爆发，美国一反常态，联合苏联向英国和法国施压，使英法最终在苏伊士撤兵。这个举动给美英的联盟关系蒙上了阴影。
而苏联蒸蒸日上的太空探索能力和弹道导弹技术水平开始让美国感到非常不安。为了能够早日对苏联形成核威慑，美国开始主动示好，拉拢英国部署雷神导弹。其原因很明显：雷神导弹的射程很难超过3000千米，在美国本土的任何一个地方发射都够不到莫斯科。
美国需要一个供“腿短”的雷神导弹发射的场所，而英国也急需早日拥有核威慑力量。于是，他们一拍即合。
1957年3月，英国的麦克米伦和美国的艾森豪威尔在百慕大举行会议，商定具体的方案。
不过这个过程并不算顺利：美国人想要拥有一定的掌控权，而英国人想要使用美国的核武库。双方闹到了北约司令部，最后终于算是有了解决方案：
美国向英国移交雷神导弹，导弹的归属权和使用权归英国，并且美国有义务培训英国的技术人员。而导弹弹头中的那枚100万吨TNT当量的核弹头则始终归美国人所有。
这样造成的结果是：雷神弹道导弹的弹体和弹头是分开存放的。每一个发射中队（即使是在英国），都需要配备一名美国空军军官。这名美国军官保管核弹头储藏室的钥匙，而英国皇家空军军官则保管用于导弹发射的启动钥匙。
虽然美国空军给雷神导弹赋予了PGM-17的编号，但是实际上，真正大规模用雷神导弹进行军事部署的是英国人。
雷神导弹采用全惯性制导体制。上面3张图为雷神导弹的惯性制导单元，由通用公司研制。
雷神导弹的弹体由8块铝合金板材焊接而成，其结构简洁紧凑，方便公路运输。
（单块板材的具体尺寸为7.5米×2.4米）
不过，作为一款需要从道格拉斯的厂房跨越大西洋运送到英国去部署的导弹来说，仅仅是方便公路运输是不够的。她还得会“飞”。（是平着飞的那种飞，不是竖着飞的那种飞。）
雷神导弹从设计伊始就考虑到了快速部署和跨洲际运输的问题。上面几张图为道格拉斯C-133运输机正在装载雷神弹道导弹的场景。
当然，如果觉得从机身尾部下方这个位置进行装卸有些不雅的话，雷神导弹还有其他的装卸方式：
这是一枚由美国空军的一架C-124运输机运输的雷神导弹。这样是不是雅致多了？
值得一提的是，C-124“环球霸王II”和C-133都是道格拉斯公司出品的。
道格拉斯不仅承包了雷神导弹弹体的生产，还给英国皇家空军“包邮”了。
当然，小火箭不能只顾着说道格拉斯。雷神导弹的发动机是北美航空旗下的洛克达因公司出品的。（这一点都不意外，洛克达因公司的发动机在红石导弹、宇宙神导弹上早已名声远扬，详见小火箭的公号文章《红石导弹：美国导弹与航天工业的敲门砖》、《从美国最早的洲际弹道导弹看项目管理》）
这枚保存相当完好的雷神导弹向我们展示了她的底部。（注意，运输车的轮毂暴露了她的年龄）
雷神导弹有3台发动机。中间那个巨大的喷管和喷管上方的细长管子，属于1台洛克达因LR-79液氧煤油发动机。靠右侧的，是一台洛克达因LR-101游动发动机。左侧还有1台LR-101，被主发动机喷管挡住了。
1台LR-79主发动机+2台LR-101游动发动机=3台发动机
从左到右：红石导弹主发动机、雷神导弹主发动机和朱庇特导弹主发动机。
基本上还是液氧煤油液体火箭发动机的设计思路，不过雷神导弹的主发动机对燃烧室和喷管进行了进一步优化，比红石导弹的主发设计好一些。洛克达因这个系列的发动机在小火箭经典导弹和火箭系列文章的第2季中已经做过详细分析，在此不再赘述。
但是，LR-97的加工工艺和选材是非常值得一提的。
雷神导弹主发动机的喷管由300根镍合金管钎焊制成。每根管子的标称直径为11.15毫米。主发推力666.8千牛，工作时间165秒。
雷神导弹的游动发动机比较低调，发射的时候，不容易看出它们在工作。
宇宙神洲际弹道导弹的LR-101游动发动机相对来说就高调多了，她正在奋力稳定宇宙神导弹的姿态（左侧那个小火苗儿）。
这是LR-101液氧煤油游动发动机。整台发动机重24.494千克，算上框架，最大长度仅50.81厘米。
整个结构与宇宙神洲际弹道导弹的游动发动机相似，不过，宇宙神导弹的游动发动机可以绕两个轴转动，底部的转盘支持在满功率工作下在70°范围内进行往复调节，顶部的偏航调节轴向外支持最大36°摆角，向内支持最大26°摆角。而雷神导弹的游动发动机则主要用来调节导弹的滚转运动和关机点速度，且摆动范围为120°。
给小火箭多次赞赏的好友，可以通过在公号中向小火箭发消息“LR-101”或“LR101”获得该游动发动机的图纸。
当然，深究每个零部件的设计细节、材料选用和加工工艺是小火箭的一贯风格了。雷神导弹的游动发动机的燃烧室和喷管为一次成型构件，由4130结构钢旋压制成。
旋压有什么难的？嘿嘿，这个燃烧室-喷管结构可是双壁夹层结构，里面是空心的。那根通到喷管唇口的管子将高压煤油通到夹层里，便于冷却喷管，同时预热煤油。
4130钢就是传说中的 CrMo钢（Chroium Molybdenum 铬钼合金钢），具有良好的强度和韧性，而且有很好的淬透性。如同我们在工程材料实践中见到的那样，这种钢材主要用在汽轮机的高压法兰盘、高负荷的主轴、齿轮上。
这是上世纪50年代，洛克达因的工程师们正在生产LR-101游动发动机的场景。
雷神导弹的LR-79发动机依然采用燃气发生器循环方式，对这种发动机工作原理的介绍，详见小火箭经典导弹与火箭系列第1季的《F-1:史上最强的单燃烧室液体火箭发动机》一文和第2季的《V-2导弹：现代弹道导弹和运载火箭的鼻祖》。
上图为雷神导弹主发动机的热交换器的特写。
红色的主发动机喷管上方的细管就是燃气发生器的废气排放管。
拆下细长的燃气发生器废气排放管，可以看到热交换器内部呈螺旋状的液氧管路。液氧在这里被加热，产生巨大的压力，这个压力会通过这根细管通回到液氧贮箱，以便让液氧持续向主发动机供应。
雷神导弹发动机细节特写。LR-79发动机安装在钢架上。钢架连在作动器上，可以使主发动机绕两根轴转动，在主动段控制雷神弹道导弹的俯仰和偏航。
既然主发动机能够在俯仰和偏航两个方向上活动，那么运输过程岂不是超麻烦？不怕主发动机的大喷管乱摆动么？
道格拉斯公司考虑到了这个问题，上图红色喷管喉部被黄色的金属块卡住了。这些就是为了方便雷神导弹运输的3个止动螺栓。
不过，小火箭在此提醒，一定要记得在发射前取下啊，否则雷神导弹就几乎不能拐弯了。
小火箭终于找到了一张可以同时展示雷神导弹的主发动机、游动发动机和燃气发生器工作时的照片。注意燃气发生器排出的黑色废气和萌萌的游动发动机小火苗。
正好，可以借这张全身照说说雷神导弹的头部设计。
雷神的头部比较平，看上去不像能够以很高的速度飞行的样子。不过没关系，反正雷神导弹的设计速度不高，这个小火箭已经进行了仿真计算，得到了雷神导弹的最大飞行速度数据，在下文会一起说。这样的设计有助于放置她那巨大的144万吨TNT当量的核弹头，同时不会过分增加导弹的长度。（毕竟雷神导弹是要搭乘运输机飞越大西洋的，太长了机舱里就放不下了。）
雷神导弹的头锥为通用电气研发的热沉式头锥，锥底圆直径1.522米，锥角为105°。铜合金头锥经过仔细打磨和抛光，十分亮眼。
扁平而闪亮的头锥是雷神导弹的一大特征。
一枚蓄势待发的雷神导弹处理在范登堡空军基地。旁边停着的大卡车是给导弹供应液氧的。此时，导弹的液氧贮箱安全阀正在向外泄放氧气，以防液氧贮箱的压力过大。
雷神导弹的氧气阀，另外注意其铝合金壁板之间的拼接处。
涂成红色的这个是雷神导弹的煤油加注口。
雷神导弹的测试场
正在准备进行垂直测试的雷神导弹
雷神导弹部署在英国时的情况。这只是这个发射中队的一小部分人。（整个中队实际上由500多名工作人员组成。）
一架胜利者轰炸机正从一枚雷神弹道导弹上方超低空掠过。1958年4月，专门用来投掷核弹的胜利者轰炸机服役。而不久，雷神导弹也开始在英国服役，对苏联形成了一定的核威慑。
雷神导弹的运输-起竖拖车
雷神导弹除了在英国蹲守之外，还在太平洋的一座小岛上准备进行一项测试，那就是：
反卫星试验
上世纪60年代，一队美国科研人员和军人悄悄来到太平洋上的约翰斯顿环礁。
在这座环礁上，他们建起了一座导弹发射基地。
基地建好后，一枚雷神导弹矗立在环礁上的发射平台上。这枚导弹带有一枚核弹头。美军计划让这枚导弹将核弹头送入400千米以上的近地轨道中，并将其引爆。按计划，这次引爆会在太空中瞬间形成一个直径8千米的杀伤区，使该区域的卫星报废。
1962年7月25日，雷神导弹准备发射。不过，就在导弹将要离开发射台的瞬间，巨大的爆炸出现了！
雷神导弹的爆炸后，约翰斯顿环礁一片狼藉。
科研人员身穿防护服查看被炸飞的LR-79液氧煤油发动机。
在约翰斯顿环礁上进行反卫星试验的尝试失败后，美国空军将这个美丽的地方当做核生化武器的堆放地。上图为美军在该地堆放的用于越南战争的化学物品，其中包括“大名鼎鼎”的橙剂。
对于雷神导弹，各处资料来源给出的射程数据不一致，小火箭对此进行了计算，以便求证雷神导弹的射程。计算雷神导弹的时候，最有趣的莫过于对弹头气动力的分析了，不过有关气动计算的细节，前2季已经详细说过了，这里只给出弹道计算结果：
小火箭进行了两枚雷神导弹的弹道计算。上图和上上图用红色圆点标出了莫斯科的位置。可以看到，雷神导弹的理论最大射程在2520千米以上，足够覆盖莫斯科周边的很大一块地方了。
雷神弹道导弹的速度曲线。可以看到，在165秒以内，雷神导弹的推力胜过了弹体受到的空气阻力。主发动机关机后，游动发动机继续工作7秒，以精确控制关机点速度。之后，雷神导弹飞了一段开普勒弹道，在再入大气层以后，进入稠密大气层之前，雷神导弹获得了她的最大速度：4.5千米/秒。
计算导弹弹道的时候，一定要和中学物理中提到的“忽略大气阻力”这几个字撇清关系。弹道导弹的气动力是切不可忽略的。为此，小火箭特意计算了雷神弹道导弹在上升过程中受到的气动力与其重力之间的比。可以发现，雷神导弹受到的气动力还是蛮大的。当然，更要理清的概念是，弹道导弹并不是以抛物线的形式飞行的（不知这个错误的说法是从什么时候开始流行的），即使是近似的话，中远程弹道导弹在大气层外面的弹道可以近似为椭圆的一部分，而不是抛物线。而考虑到气动力的话，导弹的弹道就复杂得多了（虽然粗略地看起来还是像椭圆的一部分，但是，立志于飞行器设计专业的同学还是要严谨一些）。
宇宙神导弹与雷神导弹
雷神导弹在拥有了2500多千米的射程的同时，也拥有了480千米的射高。因此，她具有了成为一枚运载火箭的潜力。
1958年10月11日，美国佛罗里达州卡纳维拉尔角，一枚雷神-阿贝尔运载火箭在进行发射前的最后准备工作。
这枚火箭将成立不久的NASA的第一枚探测器先驱者1号送上了太空。（该探测器原计划用于探测地球附近和月球轨道上的电离层、宇宙射线、磁场、游离辐射和微陨星。但由于雷神-阿贝尔火箭关机时刻有点提前，探测器未能达到理论速度，这使得探测器无法接近月球。它在运行了43小时后进入地球大气层，焚毁在南太平洋上空。
雷神-阿贝尔以发射了NASA的第一枚探测器而永载航天技术发展史的史册。
而增加了3台捆绑式固体助推器并安上了阿金纳上面级的雷神-阿金纳运载火箭是不是已经有了正八经儿的运载火箭的样子了呢？不过，大家已经熟知的雷神导弹发射平台的布局形式还是让我们认出了她。
噢，值得一提的是，在整个雷神导弹项目研制过程中，用在导弹本身的经费只占13%，而87%的经费用于研制地面设施、试验设备、培养人才等。这些设备和人才，为后续的雷神系列运载火箭的发展提供了强大的支撑。
感谢大家对小火箭的支持！
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