512 火箭

    好容易当图波列夫搞定了应用不少新技术的新图4方案之后，发动机这一块又出了幺蛾子，ash73tk活塞发动机因为需求太旺盛，一时间是供不应求，而此时总装备部又看到了喷气动力的潜力，忽然之间就冒出了一种新想法搞一款喷气式轰炸机似乎不错。

    于是乎刚刚有了眉目的新图4项目又一次半路作死，军委命令图波列夫给新图4换上喷气动力，尽量让最大飞行速度达到650公里左右。

    好家伙，这几乎要了图波列夫的老命，也许在军委看来新图4无非是换个发动机的事儿，喷气式发动机那么给力，速度要上去简直太容易了。

    但事实是，这种想法很扯淡，因为对速度的要求突破了天际，为了满足对速度的需求，飞机的气动不可避免就要推倒重来。这等于是让图波列夫搞一个新图0项目。反正是要了这位功勋设计师的老命。

    可能有同志要问了，以某仙人的水平不可能看不出来这是胡闹，朝令夕改一味的贪大图全，这在军事工业中可不是什么好事。那么他为什么不阻止呢？

    不是李晓峰不阻止，而是他阻止不了，因为在这个方面叫得最欢的是斯维尔德洛夫，在这位未来的领导核心看来，苏联已经到了赶英超美的时候，任何一款武器装备都必然的要压倒这些潜在的敌人。

    而他的这种想法很是迎合了当时在军委中存在的******风气，因为在战场上节节胜利，形势是一片大好。这让部分人有些晕了头丧失了自知之明，以为苏联真心已经是可以吊打一切对手了。在这种自满情绪下，一切忠言逆耳的话他们都听不进去了，是极大的膨胀了。所以在这一段在各个方面都表现出了冒进的苗头。

    这种风气的覆盖面是相当大的，哪怕是李晓峰也根本压不下去，无奈之下他也只能让现实给这群头脑发热的家伙泼一盆冷水了。

    比如这个新图4项目，一开始就遇到了数不清的麻烦，首先是喷气式发动机可靠性差、油耗太高，这导致原本作为战略轰炸机项目存在的新图4比图3的航程都要短。当然，如果不把它当做战略轰炸机，而是当成前线轰炸机，其性能倒是不错，最大速度能达到700公里，比绝大部分德国战斗机都飞得快。可问题是，你听说过四引擎的前线轰炸机吗？

    反正其原型机的性能是很尴尬的，而且基本上看不出改进的可能性，如果要多装油，自然的要挤压载弹量，而这种飞机的一项重要使命就是抛投笨重的原子弹。当年动则四五吨的原子弹可不是前线轰炸机能负担的。

    到了1944年6月，新图4项目被宣告失败，李晓峰也借此狠狠地敲打了军委当中那群头脑发晕的头头一顿。然后图波列夫就接到了新任务，第一是归新图0版本的设计，第二是预研一款双发的中型喷气式轰炸机。

    归0版本之后，困扰图4项目的不利因素自然是烟消云散，仅仅用了三个月，图波列夫就让正版的图4原型机飞上了蓝天。不过图4真正要进入生产怎么都得1945年了。

    对于李晓峰来说这还是比较让人失望的，好在在另一方面他却有了不菲的收获。那就是科罗廖夫主导的液体火箭项目。之前曾经说过李晓峰下令在v2的基础上研发苏联的弹道导弹，这方面科罗廖夫动作还是很快的。在1944年初就完成了盗版工作，截止到1944年7月，盗版v2的r2导弹一共进行了五次实弹测试，取得了三次成功两次失败的好成绩。

    请注意，这真心不是在说反话，因为这确实是好成绩。因为失败的那两次属于前两次，后三次都取得了成功。不过李晓峰并没有急着下令投产苏联版的v2，因为这个导弹性能有限，最大射程才区区四百多公里，弹头重量也不到一吨，最主要的是命中率太差强人意，只能攻击面目标，比如说大型都市。

    问题是，对苏联来说，要轰击大型都市根本用不着上导弹，远程航空兵就足以完成任务，所以苏联版v2显得很鸡肋。不过不管怎么说，这都是一个良好的开头，有了这个基础打底，科罗廖夫准备大显生手了。

    怎么大显生手呢？他准备超越v2的条条框框发展一种全新的液体火箭，这种型火箭不光要射程更远而且要能够携带更大的弹头，因为当时科罗廖夫被明确告知，新的弹道导弹必须将有效载荷提高到3吨的水平。很显然这就是为苏联第一代原子弹做准备的。

    而要做到这一切，科罗廖夫认为就必须超越v2，必须要有功率更大效率更高的发动机。不过要说清楚这一切首先得从v2的发动机说起，说起v2的发动机就不能不提冯布劳恩，这个火箭天才在22岁的时候就带领一个团队开始了火箭研究项目，这个项目叫a1，使用的发动机是阿瑟鲁道夫设计的300千克力液体火箭发动机，这款发动机氧化剂采用液氧，燃料是浓度75%的酒精。当然，当时冯布劳恩也考虑过其他燃料，比如说煤油，不过最后考虑还是酒精获得得更方便，所以最终还是采用酒精。

    a1火箭取得了成功，不过因为其极不可靠，最后被放弃。冯布劳恩则继续发展a2火箭。这个a2火箭就很有开创意义了，哪怕是它外形跟a1没有太大的区别，但内容却完全不同！

    这个a2火箭开创了一个新局面，首次在液体火箭上使用了挤压循环。其次为了提高飞行稳定性，控制火箭姿态的陀螺仪从弹头移到了弹体中部。

    第二项改进就不详细说了，重点说说第一项挤压循环。很多同志可能都不知道什么叫挤压循环，不知道这是干什么用的。众所周知火箭分为固体和液体两种，固体火箭相对简单，可以看做一个大号的炮仗，而液体火箭就相当复杂了。

    要想理解液体火箭的工作原理，首先就要从其循环方式入手。为什么是循环方式入手呢？因为单说发动机不足以系统的概括液体火箭的推进装置。

    液体火箭的推进系统实际上包括了两个部分，一个是发动机，另一个是推进剂增压输送系统。而循环方式可以说是液体火箭发动机产生推力的基本要素。而循环方式都有哪些呢？

    那就很多了，比如上面说的挤压循环，还有燃气发生循环、分级燃烧循环、膨胀循环等等。里面最早也最简单的循环方式就是挤压循环了。而要理解这种循环也很简单，初中物理中我们应该接触过“水火箭”。制作水火箭很简单，用可乐瓶加一个橡胶密封塞就够了。在瓶内装一部分水发射前用打气筒向其中打入空气，挡瓶内的压力达到一定程度之后解脱固定，然后瓶内的压缩空气就会将水挤出来形成反作用力推动水火箭飞行。

    而这就是典型的挤压循环。可以想象连常温下的水都能蕴含这么大的能量，如果瓶子里装的不是水而是水蒸气呢？高温高压的水蒸气经过喷管进行适当的膨胀可以产生更大的能量，蒸汽机的锅炉爆炸的威力同志们心里应该是有数的。

    不过火箭上并不适用这一套方法，因为加热水需要能量，总不能给火箭也装个锅炉吧？并且加热水需要一个长期的过程，且水本身的重量也太大了，即使能够在火箭上将水烧成高压蒸汽，恐怕这个火箭也飞不了多高。

    说到这里，就必须涉及到火箭发动机经常采用的一个概念比冲。简单的说，比冲就是消耗一个单位推进剂产生的冲量。这个冲量是一个过程量，即力的作用对时间的积累效果，也就是力对时间的积分。对于火箭来说，我们不仅要足够“给力”，而且给力的时间太短也不行，至于太消耗推进剂那就更不行了。

    到冯布劳恩的a2火箭设计上来，想要提高氧气、酒精火箭的比冲，那么唯一的办法就是给推进剂加压，提高其流速。也就是前面水火箭里打气筒的作用。冯布劳恩选择将陀螺仪从火箭头部移开之后，在这个位置他装了一个加压氮气瓶，向推进剂贮存箱注入氮气后形成气枕，挤压液氧和酒精形成增压。这就是挤压循环。

    到了a3火箭的时候，冯布劳恩又进了一步，在a2的基础上进行了创新。他将加压氮气瓶埋入液氧储存箱当中，液氧贮存箱和氮气瓶呈同心布置。由于液氮的沸点低于液氧，因此被液氧包围的氮气瓶可以保持在很低的温度下。采用这种设计可以用较小的氮气瓶容纳较多的氮气，可以使发动机工作更长的时间，同时也较为节省弹体内部的空间。而这种布局也被后世的大型运载火箭和弹道导弹所继承。

    而这就是挤压循环的基本原理，和其他的液体火箭循环方式不同之处在于，挤压循环不需要涡轮泵。尽管这导致此种循环方式性能较低，但也不是完全没有好处。比如提高了可靠性，将机械部件减少到了最低，并且推进剂在送入推力室之前不会相遇，也就避免了出现残液结冰的可能。

    不过挤压循环的问题也是显著的，随着增压气体注入推进剂贮存箱，增压效果会随着时间推移变得越来越差。如果要延长火箭发动机的工作时间，就必须携带更多的推进剂，与此同时增压气体也要加量，结果必然导致将要携带一个巨大的增压气瓶，而作为一个压力容器其质量可想而知的大。更糟糕的是，挤压循环工作时会对推进剂贮藏箱施压，对了保证推进剂贮藏箱的安全，必然也要加强其结构，而这也将导致重量飙升。

    也就是说挤压循环最后会陷入一个面多加水水多了再加面的恶性循环，其效能实在是有限。那么能不能跳出这个死胡同呢？

    答案是可以。为液体火箭发动机增压的办法人类很早就想到了，比如说风箱就是一个加压的好办法。在蒸汽革命时代，为了增强锅炉的燃烧效率，工程师就想到了强圧通风的办法，说白了就是给锅炉加一个鼓风的泵。

    俄国的航天先驱齐奥尔科夫斯基就最早意识到，要想充分发挥液体火箭的推进效率，就必须提高液体推进剂的压力，他很有前瞻性的提出了利用泵机对推进剂加压的方案。在1903年，这位航天先驱就绘制了一张液体火箭概念图。

    齐奥尔科夫斯基绘制的火箭是蛋型的，前部是乘员舱，后部是推进剂舱，分为液氧贮存箱和碳氢燃料箱，细长的液体火箭发动机位于火箭中轴线上。考虑到火箭发动机工作时将释放出大量的热，他想到了用耐热材料制造发动机，同时分流一部分低温液氧来冷却发动机，因此俄国人坚持认为齐奥尔科夫斯基最早提出液体火箭发动机的冷却思路。甚至这位先驱还设想液氧不仅作为推进剂的氧化剂，汽化后还供应成员呼吸。唯一比较可惜的是齐奥尔科夫斯基用于为推进剂增压的小活塞泵并没有给出其工作动力来源。

    在齐奥尔科夫斯基之后，一个美国人接过了接力棒，罗伯特戈达德在1914年准备在液体火箭上装一台汽油机驱动的活塞泵。不过经历了一系列的曲折试验之后，其设计并不可靠。

    到苏联这边，在科罗廖夫不满足于挤压循环之后，泵压循环就是可行的方案了。所以火箭发动机巨匠瓦伦京佩特洛维奇格鲁什科站了出来。在二十世纪三四十年代，格鲁什科的设计局搞出了rd1发动机，这就是那段时间苏联非常流行的混合动力发动机。活塞发动机通过变速箱分流一部分动力驱动rd1的泵机为推进剂增压。但是格鲁什科偏好于采用燃烧稳定的硝酸氧化剂，这使得氧化剂泵的耐腐蚀问题非常棘手。一直到1944年，格鲁什科才比较好的解决了这个问题。

    这么说吧，戈达德的方案是小活塞机带动大火箭，而格鲁什科则是用大活塞机带动小火箭，不过他们的尝试都不太成功。真正推动泵压循环的还是前面说到的那位天才冯布劳恩。

    在设计a4火箭时，冯布劳恩跳出了挤压循环的条条框框，引入了大量的新技术，最重要的自然是泵压循环，他很自然的想到直接用泵来输送推进剂，但是用什么动力来驱动这台泵机就是大问题了。你想想导弹的每一分重量都是宝贵的，总不能装死重的活塞发动机作为动力来源吧？

    解决这个问题的突破口不在冯布劳恩，而在另一位德国工程师手里，此人叫赫尔姆斯******。这位当年在帮德国海军搞先进潜艇研发，他主要负责动力这块。

    众所周知，常规潜艇受限于蓄电池的水平，隔一段时间就得上浮打开柴油机带动发电机给电池充电。那么有没有一种办法让潜艇摆脱这种限制呢？

    最好的办法自然是核动力，不过那个年代还不现实。为此工程师想了很多办法，比如干脆携带多一点氧化剂，咱们在海底也能开柴油机发电，比如苏联在二战中就尝试过储存液氧，不过低温储存的液氧危险性实在太大，弄不好就要爆，自然的俄国人是失败了。

    ******想到的办法是双氧水，这玩意儿比液氧安全一些。可以常温储存，更重要的是，双氧水催化分解时可以长生富含氧气的水蒸气，温度可以达到五百度，这个温度足以使烃类或者醇类燃料自然。也就是说无论是双氧水直接催化分解，还是进一步与燃料混合燃烧都非常适合驱动涡轮机，这种涡轮机就叫******透平。

    当然双氧水具有强氧化性，还是相当危险的。比如1934年3月，冯布劳恩的助手沃姆克博士将双氧水同酒精混合时就发生了爆炸，当场炸死了包括沃姆克在内的三人，一度的双氧水加酒精的思路被禁止。

    好在很快德国空军通过实验证明将********盐溶液作为催化剂喷射到高浓度的双氧水中可以触发稳定的分解反应，这才使得德国人重新捡起******透平这条路。比如说v2的涡轮泵就是由双氧水分解驱动的，由于其中并没有发生燃烧反应，因此这种泵只能叫气体发生器，而不能叫燃起发生器。

    v2上有a、b两个贮藏箱，a箱里是作为催化剂的********盐溶液，b箱贮藏的是80%浓度的双氧水。它们在气体发生器内相遇之后发生一连串的反应，主反应是双氧水的催化分解，由于这是放热反应，而且反应相当剧烈，因此生成的是氧气和水蒸气。副反应是********受热后自身的分解，生成的是高锰酸钠、二氧化锰和氧气，副反应增大了氧气的生成量，是一大利好。

    这些生成的气体推动涡轮泵输出3800转/分的580马力功率，驱动燃料泵和氧化机泵运转，使酒精和液氧的流量分别提高到58千克/秒和72千克/秒。

    当时v2的推进剂标准加注量是酒精8360磅、液氧10800磅，涡轮泵全速工作时实际只够发动机工作一分钟多点。而正是这一分钟多的上升段，就足以使v2携带一枚近一吨的弹头飞出三百公里。

    似乎是这很给力，但是对于科罗廖夫来说，这远远不够用。气体发生器跟后来燃起发生器相比还是太小巫见大巫了。科罗廖夫的想法是用燃起发生器取代v2上的气体发生器，让涡轮泵的功率变得更大！

    当然一开始科罗廖夫和格鲁什科还没有走那么远，他们打算是改良v2的设计。准备将********盐溶液替换为镀银镍网催化器。他们发现使用镀银镍网时，70%浓度的双氧水分解产物温度就能达到3度，而90%的双氧水则能够达到740度。不过唯一的缺点是这种催化剂的活性是有时间限制的，仅仅只有两个小时。

    经过一连串的试验，新的采用固体催化剂的r7火箭的原始模型诞生了。其rd107/108涡轮泵结构还比v2有了更多的优化，除了驱动氧化机泵和燃料泵之外，还带有齿轮传动的两台副泵，其中一台专门用于为气体发生器供应双氧水，这样就不必像v2一样在双氧水箱采用氮气挤压输送方式。

    毫无疑问，r7的原型算是青出于蓝了，实现了v2所不能实现的高度集成化。但是科罗廖夫和格鲁什科就是不满意，因为其工作效率真心是不高。所以当时科罗廖夫一方面继续完善r7的设计，另一方面也在试图突破v2条条框框。

    很快科罗廖夫就找到了思路，在他看来问题就出在了双氧水上。既然双氧水催化分解反应很碍事，那么不妨就直接用主燃烧室所用的推进剂，让它在单独的燃烧室内混合燃烧，但工作的温度可以想方设法的控制得低一点。这样的独立燃烧室就是燃气发生器，产生的是真正的燃气。使用时只需要少量的压缩气体将推进剂吹入燃气发生器，一旦燃气发生器开始驱动涡轮就可以接管为推进剂增压的工作。这多方便！

    当然，在1944年这还仅仅是一个大体的设想，就算是科罗廖夫也仅仅只是将其当成了远景规划。在当前，他主要精力还是大改的大号v2，也就是苏联的r7火箭。

    1944年十月，在kgb的资金支持下，rd107发动机进行了试车，初步验证了其可靠性。接下来的两年之内，这种试车还要进行数十次，直到其完全成熟之后，才会开始下一轮的试验，也就是实弹检测。

    对于李晓峰来说，如果一切顺利的话，在1950年以前，就能获得能够抛投原子弹，而且射程在8000公里以上的导弹，这对于苏联未来的国家安全和国际影响力是至关重要的。