现代版“八国联军火烧圆明园”---钱学森弹道

只要是看过公众号写的所谓“科普”,想必都会对“钱学森弹道”这个称呼有所耳闻。随着高超音速导弹,或者准确来讲滑翔弹的出现,钱学森弹道仿佛成了一个象征,用以和“高超音速”这个听上去很科幻的词一起证明导弹的先进性,这张在网络上广为流传但是槽点颇多的图便是最好的证据:

再配合上维基百科封面,这张钱学森在美国加州理工喷气动力实验室时拍摄的照片,黑板上画着从纽约飞到巴黎的一条轨道路线,一个能引发民族自豪感的概念就这么诞生了。

很可惜正如所有民族主义故事一样,“钱学森弹道”也是在真实历史上进行大幅度编撰的虚构故事。实际上要戳破这个谎言不难,不管是钱学森弹道还是为了提升B格用英文写的Sanger弹道(桑格尔弹道),换成英文或者其他语言搜索都找不到任何的历史文献纪录,相反都会把搜索指引向一个称呼:Boost-glide,及中文“助推-滑翔”。

那这个助推滑翔弹道是不是钱学森提出的呢?很可惜,不仅钱学森不是提出人,他对于使用该弹道的飞行器设计以及后续的军事应用,说上天了也只是“重要参与者”,远没到能用来命名的地步。


所以助推滑翔弹道是怎么来的?其实起源自二战时火炮对射程的追求。

不管是发射后没有助推的炮弹,还是发射后有助推的火箭弹,本质上都是走的抛物线。初中时候都计算过抛物线,得出45度角的发射弹道能带来最远的射程。

问题在于初中的计算是完全忽略了大气阻力。距离地表越近大气越稠密阻力就越大,进而消耗弹头动能降低射程,如果能更早脱离低层大气,超过45度的弹道会一定程度上会增长射程。对于不追求超长射程的火炮来说大气阻力差别可以忽略不计,但对于长距离大炮,比如二战时期德国研发的K-5列车炮来说,大气阻力就不是能忽略不计的因素了。

K-5发射普通的283毫米炮弹有大概64千米的射程,但德国工程师们不满意,认为传统的圆锥体炮弹空气阻力太大,于是开发了一款和未来尾翼稳定次口径穿甲弹类似的箭形炮弹,发射后套子在空气阻力下脱落,120毫米直径的“箭”单独飞向目标。按照计算,新炮弹能让K-5的射程差不多翻倍到120千米。

结果在测试的时候,箭形炮弹打出了150千米的射程,飞过了预定目标。。。

德国的工程师们随后得出结论,箭形炮弹独特的造型让其飞到抛物线顶点下落时,弹体自身和飞行方向产生了一个迎角,弹身对大气进行挤压反而产生了额外的升力,延长了弹头飞行时间进而延长了射程。本质上就像用扁平的石头打水漂一样,只不过水换成了大气。

如何利用这项意外的发现很快提上日程,炮弹150千米的射程虽然很远但仍不足以跨过英吉利海峡直接对英国本土进行攻击,那新的增程设计自然要用在新的远程打击科技上。

恰好当时就有这么一个项目,A-4弹道导弹:

其实看这张估计早就被各大公众号用烂的图的时候,有几个人发现了在A-4旁边的A-4B,A-6,以及A-9这个造型看着特别眼熟的设计? 就记着A-4变成了日后攻击伦敦的V-2,却完全没有看到藏在眼皮底下的A-4B和A-9?这两个便是人类最早设计用助推滑翔弹道的载具。 二战后在佩讷明德火箭基地找到的文件里,清晰纪录着A-9的助推滑翔弹道攻击方案,甚至还很“良心”的把轨道高度和射程下的城市都标了出来。

早在1939年6月,德国导弹领域工程师克劳斯·里德尔创办的“里德尔设计局”就提出了在A-4导弹上加上机翼的A-4B方案。和A-4一头栽下去不同,A-4B利用下落时的惯性让气流流过机翼产生升力,把火箭提供的动能转换成升力“拉起”导弹来滑翔到更远的距离。

然而A-4B的射程还是太短了,700千米也只足够打到苏格兰的格拉斯哥,且还需要从法国发射,更无法做到跨越大西洋对美国的攻击。仅2年后的1941年,另一位奥地利航天工程师尤金-桑格尔便提出了更夸张的“银鸟”(德语:Silbervogel)设计方案,这估计也是开头那张图里Sanger弹道的来源。

但搞笑的是人家奥地利人的名字叫“Eugen Sänger”,ä是德语的字母,英语里并没有这个字母。而更搞笑的是“银鸟”其实是桑格尔和他老婆Irene Bredt一起提出的,俩人都是非常杰出的航天工程师,倒不如说正是在“银鸟”上的合作才让Irene Bredt在战后变成了Irene Sänger-Bredt,她还是国际宇航科学院第一批成员中唯一的女性,这Sanger弹道是个啥呢?

言归正传,和A-4,A-9无人弹道导弹不同,“银鸟”是载人的轰炸机,打算利用助推滑翔弹道从德国连续“打水漂”飞过大西洋去炸纽约的。 所以根本不会出现第一张图那样“Sanger弹道”和“钱学森弹道”有同一个攻击点的情况,“银鸟”可是打算一次飞19000千米,用核弹炸完纽约再飞到日本降落的。

更何况两者虽然都采用了助推滑翔弹道,但A-9是无动力的无人滑翔弹头,“银鸟”是要自带引擎的空天轰炸机,投弹完还要接着点火飞走,飞行员要重复用的,攻击轨道能一样只有一种可能那便是飞了一次日本后学会了神风精神。。。


所以钱学森是怎么加入这个故事当中的呢?

1939年获得加州理工学院博士学位的钱学森,在1936年和一大群博士生搞火箭研究差点烧毁了加州理工学院的宿舍,然后加州理工就给他们找了一片没人居住的山让他们在上面接着搞。1943年钱学森作为毕业生又回到这里成了喷气动力实验室(及JPL)的创始人,为应对纳粹德国的V-2,JPL开始为美国陆军研发弹道导弹。也正是凭借这个经验,钱学森被选上参与回形针计划并前往德国,和很多德国的航天相关名人见面,留下了这张经典的钱学森上校照片:

1949年回到美国的钱学森接受了母校的邀请,返回加州理工担任喷气动力教授,年仅38岁的他是加州理工最年轻的几个教授之一。也就是这一年,钱学森提出了一款太空飞机的方案,基于V-2的气动设计加上机翼,有大约5-6千米的航程并能运送10名乘客。觉不觉得这个气动设计听着那么熟悉?根据其描述画出的设想图几乎就是改了机翼形状的A-4B。

这也是上面第二张照片里黑板上画的纽约到巴黎的出处,因为这两个城市之间的直线距离恰好是5800千米。

但钱学森并不是唯一一个提出类似空天飞机设计的人。

回纹针行动带到美国的两个德国工程师瓦尔特·罗伯特·多恩伯格(Walter Dornberger)和克拉夫特·阿诺德·埃里克(Krafft Arnold Ehricke)也提出了空天飞机的概念。多恩伯格本人更是德国陆军少将,V-2的研发的负责人且有“银鸟”的第一手材料。和钱学森前往大学教书不同,这二位去了贝尔飞机公司担任要职,并在1952年提出了“导弹轰炸机”(BoMi)的概念:

和钱学森的A-4B加机翼不同,BoMi更像是在泰坦导弹顶上放上A-9。美国军方对这个一直没什么兴趣,直到1957年10月4日的斯普特尼克1号,军方才快马加鞭上架了BoMi项目,诞生了日后的X-20。而这个时候钱学森已经返回中国2年了,实际上从1951年4月钱学森被居家软禁开始,他就已经无法再接触美国军方的研发了。X-20的研究成了日后美国STS轨道器的基础,而采用助推滑翔弹道末端拉起的机动载入载具则在1979年民兵1测试中首次实现,并随着潘兴II弹道导弹的服役正式进入美国军队。


可以看到助推滑翔的概念远早于钱学森,钱学森本人固然有在这方面的研究,但在其短暂的为美国军方“打工”的生涯中,他本人造成的影响远不如其他从德国来的“本尊”的影响。如果还非要以“钱学森弹道”来称呼助推滑翔弹道,那恐怕不是因为历史或者研发成就的原因。

当然高超音速导弹这个词的问题也不亚于“钱学森弹道”,想了解更多高超音速导弹和助推滑翔弹道的关系,可以移步前往我之前写的文章: Saturn V:什么才是高超音速导弹

编辑于 2022-04-24 10:13