【翻译】“冥王星”导弹

原文:

https://www.fourmilab.ch/documents/pluto/

“冥王星”导弹

By John Walker

在二十世纪五十年代和六十年代初期,对可控核能(而不是核武器的爆炸)的应用让以前难以想象的事情成为可能,变成了简单的工程问题。“冥王星/Pluto”项目,或者叫“超音速低空导弹/SLAM”(Supersonic Low Altitude Missile),是最极端的例子之一。不像“猎户座”(Project Orion)计划,设想由核弹驱动的四千吨太空飞船;或者“Plowshare”计划,提出用核爆进行大型土木工程项目,例如挖掘新的巴拿马地峡;“冥王星/SLAM”计划(下称‘冥王星’)的研发和测试已臻成熟。如果计划没有出于经济、其他技术的竞争、大众观感等原因取消,“冥王星”导弹可能在20世纪60年代实际部署。

概念图:“冥王星”飞向目标。来自劳伦斯·利弗莫尔国家实验室/能源部的艺术家。公共版权。

“冥王星”是一种核动力冲压发动机驱动的巡航导弹,重量与蒸汽机车相当,能以三至四倍音速在高空或掠地飞行。它能在空中停留数月,然后用核弹精确摧毁全球范围内的任何目标。

核能和化学能之间的关键区别(无论用于爆炸,推进还是产热)是:在典型的化学反应(例如氢氧化合成水)中,每个分子只释放几电子伏特的能量,但在核反应(例如铀的裂变)中,每个原子释放的能量高达数百万电子伏特。因此,相同质量的核燃料能产生上百万倍于化学燃料的能量。核能的强大力量,无论用于善恶,都源于这一特点。

在二十世纪五十年代,美国开发了三类战略核武器,即所谓“核三角”,这一概念留存至今。最早列装的是载人轰炸机。轰炸机提供了精确打击能力,并可以在任何时间被召回,但是它们的飞行速度较慢,想抵达位于另一个大陆的目标需要很长时间,并且容易被包括截击机和导弹的防空系统拦截。此外,保持轰炸机群进行战备值班的成本高昂,因为大量机组人员需要接受训练并保持战斗力,轰炸机也需要定期维护。然后是导弹,这是“核三角”的第二极,在轰炸机之外提供了另一种选择。首先开发的是巡航导弹,即配备制导系统的无人驾驶飞机,它们飞向目标,并引爆弹头。巡航导弹比载人轰炸机小得多,因此也便宜得多,并且不需要大量日常训练也能保持战备状态。早期的巡航导弹并不比载人轰炸机快,但随着五十年代的技术进步,超音速巡航导弹诞生了。弹道导弹是直接向目标投掷弹头的火箭。它可以在30分钟内命中其他大陆的目标,而且有加固发射井保护,难以被敌人的首次打击摧毁。“核三角”的第三极是从潜艇(而非路上)发射的导弹。由于潜艇难以被探测和跟踪,潜射导弹基本上不会遭到敌人的首次打击,并且提供了可靠的核报复能力。但是,当时的潜射导弹射程不够长,也不如陆基导弹精确。

即使了战略武器,各国也担心对手发生技术飞跃,使得自己的武器过时。有无数令人担忧的理由。研发和部署新型载人轰炸机需要数年,在此期间,敌人防空系统的进步可能让这些轰炸机无法突破防御,抵达目标上空。反弹道导弹防御是20世纪50和60年代的热门研究课题,有几种看上去充满前景的方法,能削弱敌方陆基和海基导弹的效能。最后,侦察对方战略核潜艇是一场猫鼠游戏,双方都在不断投资研发新技术来应对威胁。这些技术或许能抵消核潜艇的生存力。

“核三角”的主要意义之一在于,即使对手部署某种防御措施,抵消掉其中一极,剩下两极还能继续提供威慑,直到己方采取应对措施。保持多样的投送手段避免了“将鸡蛋装在一个篮子里”。当然,这价格昂贵,但这种代价远比被敌人看透弱点,发动首次打击的后果要小。

“冥王星”项目在这种环境下被提出。它的独特能力几乎可以成为核威慑的“第四极”,并极难被反制。关键就是它的发动机:一台核冲压发动机。下图是一台传统的涡轮喷气发动机。

(图源:维基百科)

空气从左侧进入,并被由一系列转子组成的压气机压缩。然后空气进入燃烧室,和燃料混合燃烧,产生高温高压燃气。气流流过若干片涡轮转子,推动涡轮旋转,同轴上的压气机也随之旋转。然后燃气从喷管排出,根据牛顿第三定律产生推力。为了在燃烧室内进行高能燃烧,产生推力,压气机是不可或缺的组件。

但是,如果发动机相对空气的运动速度足够快,使得进入其中的气流已经被充分压缩,那就不再需要压气机了。这就是所谓的“冲压发动机”,它得名于,冲入引擎的气流已经被压缩。

冲压发动机。图源:维基百科。

显然,它的结构比涡喷发动机简单许多。唯一棘手的部分是设计发动机进气道,使得气流被充分压缩。但是还有一个问题。冲压发动机只有在超音速时才能正常工作,最好是3马赫(3倍音速)左右。因此,冲压发动机需要用助推器(通常是火箭)加速到工作速度,然后才能稳定运行。空气被进气道压缩,然后与燃料混合并燃烧,产生的高温燃气从喷管喷出。一旦冲压发动机开始运转,只要有充足的燃料,就能持续产生推力。冲压发动机的燃料效率远远高于火箭,因为它自身不需要携带氧化剂。不过,进入发动机的空气往往不足,燃料总量也限制了它们的射程。

在冲压发动机中,燃烧燃料的唯一目的就是产生高温高压燃气,从喷管排出,产生推理。假设我们用一台核反应堆取代燃烧室。空气经过反应堆,被加热到足够高的温度,并和先前一样,从喷管排出。整个过程没有燃烧,进入的是冷空气,喷出的是热空气。唯一限制留空时间的因素是核燃料的寿命(以年为单位),和机身等各部件承受飞行中应力的能力。尽管燃烧对气压和温度敏感,但核冲压发动机没有燃烧,从而在低海拔和高海拔都能良好运行,并提供其他任何发动机都难以企及的低空飞行能力。

Tory II-A核冲压发动机。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室,公共版权。

在20世纪50年代中期,美国就开始研究核冲压发动机和相应的导弹。1957年,劳伦斯辐射实验室(后来的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室/Lawrance Livermore)开始研究核冲压发动机反应堆的详细设计。反应堆的设计目标是超过500兆瓦热能,但为了验证可行性,研究人员首先建造了一个小尺寸反应堆。

该反应堆名为Tory II-A,设计功率为155兆瓦。它将进入的空气加热到1080℃,流量为320kg/s.这是一个地面试验台,因此没有任何减重设计。

回想一下,冲压发动机只有进气流超过音速时才能工作。此外,发动机进气道将把空气加热至大约540°C。为了在现实场景下测试发动机,在内华达州Jackass Flat试验场附近建造了一个巨大的贮存设施,用钻井套管储存多达54000kg,245个大气压下的空气。空气在进入发动机之前要经过一个容器,内含共544000kg的滚珠轴承,由燃气炉加热。这可以让发动机在全功率下运行长达一分钟。

1961年进行了几次试验,除了一些燃料组件出现小裂缝之外,反应堆达到了全部设计要求。一旦反应堆首次达到临界态,它就变得放射性极强,且没有任何屏蔽,即使没有运转,也能杀死接近它的所有人。反应堆装在一节火车上,它可以自动运行,把发动机在装配/拆卸车间和测试场之间运输。在装配/拆卸车间有屏蔽辐射的房间,因此研究人员可以远程控制操作。在应用这些安全措施后,看上去离研发全尺寸发动机已经没有任何障碍了。

Tory II-C核冲压发动机。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室,公共版权。

在Tory II-A成功后,研究人员建造了Tory II-C,这是一台全尺寸,飞行重量的反应堆,能在低空以超过3马赫持续飞行。它的设计功率为500兆瓦,流量大得多,因此贮存设施的规模扩大到10倍,用了长达40千米的钻井套管,它充满空气需要五天。这足以让Tory II-C运行5分钟,足以演示其稳定运行状态,并测量反应堆周围的热量和辐射环境。虽然还有一些改进设计尚在绘图板上,1964年Tory II-C的两次试运行证明,它能完成任务。

随着这种新型发动机愈发接近成为现实,在1963年,Ling-Temco-Vought 公司获得了开发机身的合同,而Marquardt公司被选为除反应堆外其他推进部件的承包商。在稠密的低层大气中以接近3马赫飞行时,导弹将承受空前的气动和热应力。然而,由于拥有核发动机,就不必像传统飞机那样,在重量和强度间进行权衡。

大部分机身由不锈钢制成,在反应堆附近的高温部分使用René41合金,这种合金曾被用于“水星”飞船。这种结构十分健壮,项目总监特德·默克尔(Ted Merkle)将其昵称为“飞行撬棍”。由于无需携带燃料,设计十分简单:核发动机、制导系统、弹头、还有一些小型控制翼面以。没有机翼:在超音速下,弹体形状就能提供足够的升力。“冥王星”导弹靠固体火箭助推器起飞(研究人员同时设想了固定式和移动式发射台),并加速至冲压发动机的工作速度。反应堆在发射之前不会达到临界状态,提高了地勤人员的安全性。

通过研究各种描述“冥王星”导弹的文件,可以得出结论,工程师们并未最终决定导弹上应该装备什么武器。大多数消息源预计,将装备一枚大当量弹头,或多枚(根据来源不同,从8枚到超过20枚)较小的弹头。如果装载多枚弹头,导弹可以沿规划好的航线,把它们投放到不同的目标。凭借无限的射程和留空时间,“冥王星”的攻击任务剖面将不受任何限制。导航系统必须极度精确。“冥王星”导弹先凭借惯性导航从高空进入敌国境内,然后俯冲至“树梢高度”,冲向目标。这一冲刺将依赖雷达导航,它通过对比导弹下方的地形和预先储存的地形图确定位置。按照预期,这套系统能以数十米级精度向目标投送炸弹。现代巡航导弹使用TERCOM系统导航,它是这一系统的直接后代。

与舰用或民用核反应堆不同,“冥王星”的反应堆没有任何辐射屏蔽。航电设备被放在离反应堆尽可能远的地方,放在辐射屏蔽室内,以防止它们受到强烈的中子照射。运行时的反应堆释放的辐射能杀死附近所有人,包括在低空飞行时,路径下方的人员。此外,低空超音速飞行产生的冲击波能破坏未加固建筑,并重伤尚未被辐射杀死的人。一项看上去非常“核战狂”的建议是,“冥王星”导弹在释放最后一枚炸弹后,可以在敌方领土上飞来飞去,摧毁建筑,并用辐射杀伤人员。即使在进入敌国领土前的高空飞行中,核发动机也会在排气中喷出裂变碎片,形成一道辐射尘尾迹。批评者称,缩写SLAM的真实含义是“慢,低,脏”。没有人想出令人满意的试飞方式。有人建议在太平洋上空试飞,导弹在飞行结束后落入深海,但即使在20世纪60年代,这也很可能被大众反对。最后,战略家担心,部署一种现有技术无法防御的新武器将会破坏战略平衡,并刺激苏联人发展自己的核动力导弹。在现有的核威胁中添上一种“冥王星斯基”并不是一种理想的前景。

到1963年,“冥王星”计划(包括其测试设施)总共用了2.6亿美元的研发资金,相当于今天的20亿美元。购买50枚导弹(不含弹头)的预期单价约为5千万美元(今天的4亿美元)。“冥王星”预计无法在1969年前列装,随着麦克纳马拉的“精明小子”们在五角大楼削减预算,它便成为一个极佳的靶子。1964年7月,“冥王星”计划下马。当时,弹道导弹已经实用化,而固体发动机的“民兵”导弹已完成试飞,且价格只有“冥王星”的几分之一,因此“民兵”很快进入量产。“冥王星”试图解决的问题不复存在,而且价格无法承受。

“冥王星”项目为战后宏大的“核能浪漫时代”划上了句号。在1950年,核电力变得“便宜到不值得收费”,而核能汽车与核能飞机看上去似乎近在眼前。1955年6月10日的纽约时报引述了Lewyt吸尘器公司总裁Alex Lewyt的话:“核动力吸尘器或在10年内成为现实”。事实上,核能确实即将到来,而大众心理的钟摆将很快摆动到对其非理性恐惧的另一极。激发核时代早期人们乐观情绪的是这种能源本身的优势——如果恰当而明智地运用,它仍然拥有上百万倍于化学能的力量。

附录

“Project Pluto”是一部关于“冥王星”计划的纪录片,包含研发和测试阶段的历史影像。这部纪录片包含5个部分,可以观看下列Youtube播放列表:

https://youtu.be/qQGBBsLiP6w?list=PL5o8OlF7bBUy_MEhgsh2TNDXkcmhGSuZT

“Big Stick”是康维尔公司提出的另一种核冲压发动机导弹设计。下面这部1959年的影片描述了该设计:

https://youtu.be/w_SCuPId8KA

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