红石导弹：美国导弹与航天工业的敲门砖

小火箭出品

本文作者：邢强博士

原文标题：红石导弹：美国导弹与航天工业的敲门砖

本文是小火箭经典导弹和运载火箭系列文章第二季的第五篇。本季第一篇介绍V-2弹道导弹的时候，重点分析了导弹空气动力学和早期液体火箭发动机。在本季第二篇介绍苏联R-7洲际弹道的文章中，我们能够看到这个导弹/火箭家族通过1863次发射，逐渐成长为苏联以及俄罗斯的运载火箭的中坚力量，将第一颗卫星、第一位宇航员送上太空，开启了人类的航天时代。小火箭在该文中穿插讲解了助推器分离时要考虑的要点。在第三篇文章中，小火箭以美国最早的洲际弹道导弹宇宙神为案例，详述了一个型号诞生的不易和小火箭对导弹系统项目管理的一些心得体会。在第四篇中，小火箭介绍了冯·布劳恩博士与红石弹道导弹。

本文将继续分析红石弹道导弹。

红石弹道导弹全长21.1米，直径1.8米，可携带一枚350万吨TNT当量的核弹头（或一枚50万吨TNT当量的核弹头），起飞重量为27.763吨，设计射程为320千米。（有关红石导弹的弹道的详细讨论，小火箭会在下文用弹道导弹动力学仿真来说明。）

红石导弹在红石研究中心进行了27枚试制之后，开始进入批量生产阶段。而主动请缨承担生产任务的公司，则是克莱斯勒汽车公司。图为在克莱斯勒汽车公司进行批量生产的红石导弹。注意导弹头部的不屈不挠的尖尖。

在通常的印象中，承接导弹或者火箭的生产任务的单位大多是飞机制造公司，比如后来生产土星五号火箭的时候，第一级包给了波音，第二级包给了北美航空，第三级包给了道格拉斯。宇宙神导弹的生产由康维尔公司进行。不过，克莱斯勒集团因为有着大量生产坦克和吉普车的声誉，其加工能力还是不错的。（吉普，英文Jeep。起初叫做General Purpose Car，即多用途车辆，后简称GP，于是逐渐就有了Jeep这个叫法。）

另外，注意导弹弹头部位靠后一点的地方，有四片弹翼。这是红石导弹相对于V-2导弹的又一个改进的创意：布劳恩博士认为，影响V-2导弹作战效能的原因主要是精度和再入速度。精度的问题靠之前小火箭叙述的高精度空气轴承陀螺仪大幅改善。而为了提高再入速度，布劳恩博士设计了可分离式的弹头。对，就是红石导弹再入稠密大气之前，后半段弹体会被抛弃，前部弹体的四片弹翼就成了分离后的再入弹头的尾翼。

技术工人正在工作的这个部件就是红石导弹头部后段（布劳恩称之为裙段）。再入大气的时候，这一大段会跟后面的弹头结构分离。注意外面四片弹翼，另外注意圆形合金钢连接框的端面上等间距分布着6个孔。这6个孔就是为方便安置爆炸螺栓设计的。

红石导弹的发动机继承了V-2导弹的火箭发动机的基本设计。上图为V-2导弹涡轮泵。涡轮泵以强劲的功率将酒精和液氧泵到燃烧室，为火箭发动机的持续工作提供条件。

上图的标注中，1为酒精泵；2为液氧泵；3为涡轮；4为驱动气体入口；5为驱动气体出口。其工作原理就是高压气体吹动叶轮，然后带动同轴涡轮高速转动，像水泵那样把液氧和煤油泵到高压管路中，最终输入燃烧室。这台拥有580马力的涡轮泵是世界上应用最早的火箭发动机涡轮泵。

V-2导弹的涡轮泵设计思路清晰，结构简洁明快，涡轮输送效率较高，被后来的大量弹道导弹和运载火箭所借鉴。小火箭就举一个例子：

这是苏联R-1弹道导弹中的涡轮泵。是不是和V-2导弹的涡轮泵长得很像？

红石导弹的火箭发动机涡轮泵，上面是酒精泵，下面是液氧泵，中间那个大罐子里面是涡轮。

涡轮泵液氧出口法兰盘

红石导弹的A-7火箭发动机依然采用燃气发生器循环。这也是布劳恩博士的偏爱，甚至到土星5号火箭的F-1发动机依然是燃气发生器循环。之前对此类循环有详述，在此不再赘述。上图为A-7发动机的燃气发生器。

红石导弹的燃气发生器近照。可以看到洛克达因的铭牌。注意洛克达因的焊接工艺。

刷好了红漆的红石导弹燃气发生器，看起来就精致多了。

这是红石导弹上用的A-7液体火箭发动机。顶部的大红罐子是过氧化氢贮箱，用于在燃气发生器中产生高压气体带动涡轮泵工作。

左侧竖着的粗管子是酒精输送管路。她先通到喷管夹层底部，然后向上流动，经过喷注盘小孔进入燃烧室。（在V-2导弹一文中有详述，不再赘述。）

贴着左侧竖着的粗管子的细管是点火用的燃料输送管线。

右侧竖着的大尾巴是燃气发生器废气排放管。燃气发生器产生的气体经过涡轮泵和换热器后，排出发动机。

红石导弹的火箭发动机燃气发生器废气排放管近照

过氧化氢贮箱特写

用于教学展示的红石导弹的发动机。上面的红管子是酒精输送管，下面的红粗管子是燃气发生器废气排放管。用于燃烧室的液氧输送管在燃烧室顶部。

燃气发生器废气排放管子的中段，两头被法兰盘接起来的地方，藏着热交换器。上面通着两根小细管，靠左的是用于增压的液氧输入管，靠右的是液氧输出管。经过热交换器的液氧压力增大，用于给贮箱持续提供足够的压力。（这一点在高空尤其重要。）

放倒后的红石弹道导弹的底部。4片弹翼上的那些口盖前文已经详细介绍过了。中间的大洞是发动机喷口。靠近喷管的稍小的黑色洞口是电气系统主缆插槽，起飞的时候，电气主缆会自动与地面系统脱离。

弹体尾部底下有一个白色凸起，仔细看的话，会发现有一排小孔。那是红石导弹的多路气体接口。不用数了，是9路。

弹体尾部上面也有一个白色凸起，有一左一右两个孔。上图只露出了左侧的黑色小孔，右侧的大孔被盖子盖住了。

这枚破旧一点的红石导弹右侧大孔的口盖丢失了，能看得更清楚些。这就是上上图的弹体尾部上面的凸起。

左侧小孔是用来在地面随时向红石导弹补充液氧的液氧补加孔。这个孔往上直接通到液氧贮箱。

右侧大孔通到一个空气循环泵，是用来给导弹底部做强制新风循环的。这也是布劳恩博士从V-2导弹里面得到了经验教训以后改进的。导弹竖立在发射场之后，具体的发射时刻未定，导弹有可能会装满一大罐子液氧等着。

-183℃的液氧会让周围空气中的水蒸气冷凝。为了防止冷凝水或者冰坨子对导弹尾部造成破坏，布劳恩博士设计了尾部新风系统，及时吹散水雾。

这台火箭发动机是比较真实的历史照片，可以看到发动机燃烧室外壁上部的9路气体管线。

红石导弹液氧贮箱内壁

液氧在常温状态下时刻处于沸腾状态，这是液氧贮箱外壁上用来排出多余氧气的阀门，以防液氧贮箱压力过大。

红石导弹里面的供电线路。红色为应急系统专用供电线路，肉色为115伏特400赫兹交流供电，黄色为28伏特直流供电。

红石导弹把检修舱盖设置在导弹下部，还是很方便的。

剖开的红石导弹弹体，可以看到闪亮亮的301不锈钢隔框。

正在进行全弹地面测试的红石导弹

正在进行发射的一枚红石导弹

红石导弹逐渐形成了一个家族，开始在航天领域发挥着重要作用。

1959年，NASA正式启动了美国的载人航天工程——水星计划。当时选用了3种火箭（导弹）：

小乔伊火箭：8次亚轨道机械测试，2次运送猴子，以及若干逃逸系统测试。

红石运载火箭 ：4次亚轨道机械测试，1次运送黑猩猩，2次载人亚轨道飞行。

宇宙神运载火箭 ：4次亚轨道机械测试，2次在轨飞行，1次运送黑猩猩，4次载人轨道飞行。

小乔伊固体火箭与导弹的渊源不深，暂且不说。宇宙神运载火箭，小火箭在经典导弹和运载火箭第二季的第3篇文章中已经详细介绍。因此，轮也该轮到介绍红石运载火箭了。

1960年，红石-水星运载火箭进行逃逸塔测试。

所谓红石-水星运载火箭就是红石导弹基础级加上了水星飞船的组合体。图为NASA正在吊运一枚红石。

位于圣路易斯市的麦克唐纳飞机公司正在批量生产水星飞船。

水星飞船是美国第一代载人飞船，其底部的设计很有意思。在防热大底后面，捆着减速火箭。

1961年1月31日，红石-水星2号运载火箭升空。

该火箭成功将黑猩猩Ham送入太空。（有关猴子和猩猩为早期载人航天做出的贡献，详见小火箭的公号文章《猴子，真正的太空探索先驱》）

1960年，美国宇航员小艾伦·巴特雷特·谢泼德正在进行体检，准备成为美国第一名进入太空的宇航员。

1960年12月9日，红石-水星3号火箭被运到了卡纳维拉尔角。但发生了许多计划之外的事情，发射工作被迫推迟。在进行了21个星期的超长准备工作之后，好不容易矗立到发射场的红石-水星3号火箭又接连因为设备和天气问题而推迟发射。

1961年4月12日莫斯科时间上午9时零7分，加加林乘坐东方一号宇宙飞船从拜科努尔航天发射场起飞，在远地点为301千米的轨道上绕地球一圈，历时1小时48分钟，于上午10时55分安全返回，降落在萨拉托夫州斯梅洛夫卡村地区，完成了世界上首次载人宇宙飞行，实现了人类进入太空的愿望。他驾驶的东方一号飞船成为世界上第一个载人进入外层空间的航天器，在轨飞行了108分钟。

美国人这时候还在调试火箭，眼睁睁看着第一次载人航天的桂冠也被苏联人抢了去。一番修整后，时间来到了1961年5月2日。

1961年5月2日，谢泼德穿戴好宇航服（当时的宇航服如上图所示）进入水星飞船。结果，他等了3个小时后，得到的消息是发射因天气原因取消了。

好在谢泼德心态比较好。他向来是很能吐槽的。比如当记者问他，坐在红石-水星火箭里面是什么感受的时候。他的回答是：“他突然想起来，这枚火箭的每一个零部件都是由报价最便宜的分包商生产的。”

拥有好心态的谢泼德后来参与了阿波罗计划，搭乘阿波罗14号飞船成功奔月，成为第5个登上月球的人。

公元1961年5月5日，红石-水星3号运载火箭终于不负众望，发射成功。

航天器被命名为自由7号，进行了一次亚轨道飞行。这使得谢泼德成为了美国历史上第一位，人类历史上第二位进入太空的宇航员。

还有一个荣誉属于红石导弹：红石-水星3号组合体是航天史上首次能够将宇航员留在舱中返回地球的飞行器(加加林是弹射出返回舱之后，用降落伞着陆的)。

正在发射的一枚红石-水星运载火箭，注意弹体尾部的空气舵。

红石导弹的空气舵面是链条传动的。嗯，就是自行车上面用的那种链条。

左侧是宇宙神-水星运载火箭，右侧为红石-水星运载火箭。相比之下，红石的身板太单薄了。

不过，就是这样单薄的小身板，撑起了美国民众在苏联进行洲际弹道导弹测试之后曾经一度消沉的信心；就是这款导弹促成了高精度惯导系统的发展；就是这款导弹发展出了可分离式弹头设计；从她开始，弹道导弹以及运载火箭的发射前准备工作开始整理出严格的流程，并对人机工程和可靠性进行了进一步优化。

她让冯·布劳恩博士的航天梦想终于开始逐步实现；以她为基础大幅改进而成的火箭发射了美国第一颗人造地球卫星；以她为基础级的火箭将黑猩猩以及美国第一位宇航员送入太空。

有关早期型号的红石导弹的弹道特征和速度信息，多个出处的数据不太一致。最后，小火箭在这里对红石导弹进行了全弹建模。（最令人头大的是弹翼部分的干扰阻力计算）然后，小火箭计算了红石导弹的弹道。

WGS-84大地模型，考虑地球转动，美国标准大气COESA。

发射地点选在了美国德克萨斯州某地。打了一个红石导弹的最大射程。

放大一些看，基本上是个亚轨道的样子。（注意稠密大气段的弹道）

基本上红石导弹的弹道打出来就是这个样子的了。

摸了一下早期型号的红石导弹的射程，导弹确实命中了目标。保守估计，红石导弹早期型号的有效射程至少有318.282千米。经常提到红石导弹320千米有效射程的说法，经仿真验证，是较为符合的。

弹道最高点为93.721千米处，出现在发射后第207秒。

同时，小火箭打了速度曲线。红石导弹在上升段还是比较猛的，不到40秒的时候超声速，不到60秒的时候Mach2，1分多钟Mach3。

不过，红石弹道导弹的最大速度发生在弹头分离后再入稠密大气的时候，约为Mach5.42。

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