北美地區唯一的衝壓發動機核防空導彈
小火箭出品
本文作者：邢強博士
原文標題：北美地區唯一的衝壓發動機核防空導彈
本文是小火箭經典導彈與運載火箭系列文章第3季的第5篇。在本季第1篇與第2篇合輯中，小火箭介紹了美國「雷神」彈道導彈。（導彈的總體設計、材料、發動機、彈道計算、反衛星試驗以及這款導彈改造為運載火箭後，發射了NASA的第一枚探測器的歷史）。在本季的第3篇中，小火箭介紹了切洛梅和質子火箭的總體設計。本季第4篇，小火箭繼續介紹質子運載火箭，講述她發射禮炮系列空間站、和平號空間站和國際空間站的光輝歷史，並在文末給出了具體的算例，指出帶有上面級的質子火箭在地球同步軌道運載與深空探測中的強大潛力，展示火箭到底是怎樣把衛星送到地球同步轉移軌道上的。
本文，小火箭將介紹一種長得非常像飛機的防空導彈。這款導彈是美國空軍擁有的唯一一款以衝壓發動機為動力的防空導彈，而且使用的是核彈頭。在多年的發展和部署過程中，該導彈與北美防空司令部一同發展，為人們展示了一種防禦武器的發展思路。
這款導彈就是傳說中的「波馬克」導彈。
按照小火箭的風格，在講述一款導彈或者火箭的時候，首先要提的就是她的名字的來由。
與美國慣用的希臘/羅馬神話的命名體系不同，波馬克（Bomarc）這個詞並不是哪位神祇的名字，而是由兩個研究機構的名字組合而成的詞。
這款導彈是波音（Boeing）與密歇根大學航空研究中心（Michigan Aeronautical Research Center，簡稱MARC）合作研發的。取波音單詞的前兩個字母與密歇根大學的研究中心的簡稱，合并起來，就成了Bomarc。
（幸虧當年羅爾斯·羅伊斯公司沒有參與進來，否則這款導彈就得改名叫馬可波羅了。）
如今的波音以研製客機、運輸機、洲際導彈和衛星而著稱，他們還研發過專門用來擊落飛機的防空導彈？
是的，波音從1946年開始，就突然對能夠擊落飛機的防空導彈產生了非常濃厚的興趣。在1946年到1950年的4年時間里，波音以試驗火箭為名，研製出了多種型號的小型火箭系統，並且進行了100多次試射。這樣的尺寸、這樣的機動發射方式，很容易令人聯想到防空導彈。而實際上，波音也的確在積累相關的技術。
為什麼一家造飛機的企業要去研究能夠擊落飛機的飛行器呢？
一家研究型企業開拓業務範圍的做法非常可以理解。不過，有意思的是，在那個時期，波音的飛機業務在美國只排第3名（第1名是道格拉斯，第2名是洛克希德）。（是不是感覺到了什麼？有沒有感覺到來自波音的，對兩位老前輩深深的惡意？）
波音在4年時間內進行了大量試射，這引起了美國空軍的好奇心。在經過一番考察後，美國空軍覺得波音具備了研製攔截轟炸機用的飛行器的能力，於是就向波音發出了訂單，要求其為美國空軍研製一款能夠在本土防禦蘇聯轟炸機的地對空無人攔截器。（也就是今天大家常說的地空導彈）
1952年8月10日，波馬克導彈迎來了她的首次發射。
一些沒有提前看過波馬克導彈設計草圖的空軍軍官愣住了：這明明就是一架飛機啊！哪裡是什麼導彈！
不過，工程師們早有準備：雖然她長得像飛機，但她是頭朝上，垂直起飛的噢！
（無辜狀：誰叫你們讓一個如此喜歡研發飛機的公司來設計導彈呢！）
上圖從左至右：阿弗羅CF-100「加拿大人」戰鬥機、波馬克導彈和康維爾F-102「三角劍」戰鬥機。
小火箭覺得，這麼看的話，波馬克很像是一架大後掠角（帶切尖）上單翼的高速無人戰鬥機。
波馬克導彈基本型長14.43米，彈徑0.91米，翼展5.54米。該彈由1台LR59-AJ13液體火箭發動機和2台衝壓發動機提供動力。由於前兩季，小火箭的系列文章對液體火箭發動機已經有較多介紹，本文就重點介紹衝壓發動機了。
1913年，法國工程師雷內·勞倫首次提出了衝壓發動機的概念。他認為，當發動機不停地向前衝擊的時候，流經進氣道的空氣會不斷地增加壓力，這樣不用壓氣機就可以讓發動機里的燃料持續燃燒並向後產生推力。這種發動機只有進氣道、燃燒室和噴管三部分組成，中間沒有活塞也無需轉子（甚至可以沒有任何活動部件），構造極簡、重量較輕，能夠擁有很大的推重比。勞倫對他提出的新概念很滿意，可惜囿於當時的材料和工藝水平，直到抱憾去世，他始終沒能製成原型機。
在上世紀50年代，火箭發動機的技術已較為成熟。設計師們試著把衝壓發動機和火箭發動機結合起來，以火箭發動機為助推器把帶有衝壓發動機加速到可以啟動的速度。沒想到一下子便開啟了衝壓發動機的「黃金時代」。
波馬克導彈的火箭發動機將導彈豎直推向天空，並逐漸把導彈的速度加速到2馬赫。隨後，衝壓發動機啟動，將導彈的速度進一步提升到2馬赫以上。（在實際的測試飛行中，波馬克導彈以2.8馬赫的速度持續飛行了320千米，最大飛行高度達20000米。）
這個指標，讓美國空軍欣喜不已，並且給這款導彈賦予了一個戰鬥機才能享有的F字頭的編號：F-99。
波馬克導彈使用了2台RJ-43衝壓發動機。這款發動機的單台推力達到了53千牛。圖為工程師正在準備對這款衝壓發動機進行測試。
那麼，波馬克導彈的衝壓發動機具體是什麼樣子的呢？
波馬克RJ-43衝壓發動機前部剖開的樣子。
注意看該衝壓發動機的中心錐設計。
當飛行器的速度超過聲速時，飛行器前方來不及躲開的空氣會不斷地堆積壓縮，並最終形成激波。激波的厚度只有幾微米，但是激波前後的空氣性質會發生巨大的變化。德國人以此為靈感發明出了帶中心錐的進氣道，利用一系列斜激波來改善衝壓發動機的進氣環境。
美國的衝壓發動機繼承和發揚了對斜激波的應用技術。波馬克導彈的衝壓發動機巨大的中心錐為燃燒室提供了優質的氣流。
黑色的中心錐後面，就是衝壓發動機的燃燒室了。（有關衝壓發動機的設計細節，詳見小火箭的公號文章《衝壓發動機！不斷挑戰工程極限！》）
波馬克導彈衝壓發動機的噴管。注意其火焰穩定器的設計細節。
上上圖是為了演示而剖開的一台RJ-43衝壓發動機。為了展示火焰穩定器的全貌，小火箭找到一張完整的RJ-43衝壓發動機從噴口向內照的一張照片。鈍型火焰穩定部件呈環形排列。
RJ-43衝壓發動機的噴管擴張段。在第1季和第2季的文章中，小火箭以RD-170發動機和宇宙神導彈的發動機為算例，演示了噴管內流場的計算，感興趣的同學可自行計算RJ-43衝壓發動機的擴張段，本文不再贅述。
波馬克導彈採用全動式水平尾翼，這是典型的大氣層內高速飛行器的設計思路。
波馬克的2台衝壓發動機採用吊艙式設計，用集裝箱運輸的時候，會拆卸下來。機翼也能夠快速拆卸，使得整枚導彈能夠很方便地通過公路運輸。
不過，小火箭個人更喜歡這樣整體的運輸方式，能夠把波馬克的全貌展示出來。是不是還是覺得她更像是一架飛機或者是一枚巡航導彈，而不是垂直發射的防空導彈呢？
在西雅圖的波音工廠中進行批量生產的波馬克導彈。
波馬克導彈雖然在1952年就進行了首次發射，但是直到1954年10月，第7次大改之後，才終於試飛成功。
不過，這依然擋不住美國空軍對她的喜愛。美國空軍和加拿大防空部分一共訂購了670枚波馬克導彈。這個舉動在當時經費不夠充裕的情況下，實在是很難得（大部分經費用來發展洲際導彈與氫彈了）。
波馬克導彈，成了美國空軍的大玩具。
長期以來，美國陸軍與美國海軍分別負責地空導彈與艦空導彈項目，年輕的美國空軍總是乾瞪眼。自從有了波馬克導彈，美國空軍總算是有了自己的防空導彈。於是，他們用她進行了大量發射試驗。（總共有100多枚波馬克被導彈消耗在各種發射測試中。）
波馬克導彈有A型和B型之分。A型為基本型，其助推段採用1台LR59-AJ13液體火箭發動機。該發動機以發煙硝酸為氧化劑，以航空煤油為燃燒劑。在發射之前，需要對其進行加註。發煙硝酸有很強的腐蝕性，需要加註員全身穿戴專門的防護服。（上圖寫著「蘇打水」的箱子有點兒搶鏡。波馬克導彈喝的是硝酸，不是蘇打水噢。）
為了增強波馬克導彈的快速反應能力，工程師們用固體火箭發動機取代原有的液體火箭發動機，發展出了波馬克B型導彈。B型導彈的翼展與A型（也就是前文所述的波馬克導彈基本型）相同，都是5.54米，而長度縮短了0.5米，為13.7米。
波馬克B型的固體火箭發動機由 Thiokol公司研製，其推力高達222千牛，是波馬克A型的LR59-AJ-13液體火箭發動機推力（156千牛）的1.42倍。
這就給工程師帶來了驚喜：波馬克獲得了之前夢寐以求的大推力，可以使導彈加速更快，讓導彈更早地達到衝壓發動機可以啟動的速度條件。
另外，固體火箭發動機比液體火箭發動機「瓷實」多了，固體火箭發動機的密度很大，在滿足裝葯要求的情況下，佔用的彈上空間卻只有液體火箭發動機的一半。工程師大膽地把節省下來的空間裝上更多的燃料，使波馬克B型導彈的發射重量提升為7.25噸。（這個重量已經比較接近一架米格-19戰鬥機的7.56噸的最大起飛重量了。）註：波馬克導彈基本型的發射重量為7.02噸。
波馬克B型經此一改，射程硬生生達到了710千米。嗯，射程超過700千米的一款防空導彈。
而且，她帶的是核彈頭：
上圖為波馬克導彈使用的W40核彈頭。
這枚長81.282厘米，直徑45.721 厘米，重174.63千克的核彈頭，有著1萬噸TNT的爆炸當量（約為廣島原子彈當量的三分之二）。上圖為W40核彈頭爆炸後產生的蘑菇雲。W40空爆時，會對轟炸機產生一個殺傷半徑為1.67千米的死亡地帶。
這也就解釋了為什麼要把波馬克導彈的射程弄得如此遠的原因：空爆核彈來攔截轟炸機，是一種傷敵一千自損八百的方式。
不過，用了核彈頭，波馬克導彈對制導精度的要求就放得很開了。在710千米處偏離目標不要超過1.67千米就行。
這樣的防空導彈是不能部署在人口稠密地區的。如果彈頭在紐約市中心上空爆炸的話，蘑菇雲會覆蓋大半個曼哈頓，22萬人會當場死亡，另外至少會有172.6萬人受到輻射污染。因此，真到了用波馬克的時候，也就是美蘇雙方準備來真的了。
不過，不管怎樣說，波音的工程師們對他們研製的這款長得非常像戰鬥機的防空導彈是非常自豪的。有上圖為證：
1955年11月，波音是這麼說的：
波音的工程師們跟未來有個約會。
工程師們喜歡這款導彈，美國空軍和加拿大防空部門更喜歡這款導彈，不僅大量訂購，而且僅測試發射就用了100多枚。他們還給波馬克起了一個往常只有戰鬥機才能擁有的F字頭的名字（F-99）。而民眾對於這款造型優美的導彈也表現得有些情有獨鍾。你看，連「波馬克小姐」這樣的與導彈來比美的美人都有了。
波馬克，這款在北美地區唯一的一款以衝壓發動機為動力的帶有核彈頭的導彈，是美國空軍的寵兒，也曾被美國時尚界所青睞（這一點可能是當年的飛行器設計師們始料未及的），在冷戰的巔峰時期守衛著北美的天空。
但是，核彈頭真的爆炸起來可不是鬧著玩的，一定得遠離稠密人口才行。那麼，波馬克導彈具體是怎樣部署的呢？在冷戰時期，以波馬克導彈項目為代表的整個北美地區的防空設施又是怎樣設計的呢？且看小火箭經典導彈與火箭系列文章第3季的第6篇。
感謝大家對小火箭的支持！
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