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