火箭撬陆地超音速试验装置（上） 工程投资额：工程期限：1987年1997年2005年，美国桑迪亚国家试验，在新墨西哥州阿尔伯克基市科特兰德空军基地，2000英尺（610米）长的的“Sandia 1”火箭撬滑轨上，用火箭助推器将一架F-4战斗机高速撞向测试墙，以试验战机在高速撞击条件下的毁伤效果。最终这架战机与测试墙一起化为齑粉。 很多人喜欢飚车，将车开到时速200公里以上，体验那种风驰电掣的感觉。但是跟本文的主角相比，那就太小儿科了。它可以达到陆地速度的极限时速10430公里，相当于每秒前进2885米，是步枪子弹出膛速度的4倍，比战术导弹飞行速度还快。创造这一纪录的就是火箭撬（Rocket sled）。 火箭撬是一种空气动力学试验设备，利用推力强大的火箭助推器，推动测试物体在类似铁路的专用滑轨上高速前进，再用高速摄影机及其他设备记录数据，以分析其空气动力学性能。形象一点说：你可以把它看作是一枚躺在铁轨上发射的火箭。火箭撬可用于研制核武器、高超音速导弹及飞行器、航空母舰上的弹射器、战斗机火箭弹射座椅、宇宙飞船逃逸塔、电子战武器等尖端设备。它是在陆地进行超音速试验的重要装置，目前全世界仅有美、英、中、俄、法等少数国家拥有此类设备。 贝尔X-1火箭飞机和挂载它的B-29轰炸机，照片摄于1949年。B-29轰炸机做了改装，腹部挖空用于吊挂X-1。挑战超音速飞行 对速度的追求，是人类千百年来的梦想。然而人体的生理条件，决定了人类的奔跑速度并不快。即使百米飞人博尔特创下的9秒72的世界纪录，也仅仅相当于时速37公里，这比猫和狗的奔跑速度都要慢得多。在过去的数千年里，人类就靠双脚和骡马车辆，缓慢地前进。直至最近200年，工业革命中出现的各种交通工具，帮助人类不断突破速度极限。 在19世纪末，汽车成为当时最快的交通工具。1898年12月，一辆名为Jeantaud Duc的电动汽车，在法国创下时速63.15公里的纪录。次年4月，一辆名为La Jamais Contente的电动汽车，达到时速105.88公里。这是汽车首次突破时速100公里大关，也超过了马匹的奔跑速度。1904年1月，美国人亨利福特，在底特律附近的圣克莱尔湖，驾驶“福特999”号汽车，创造了时速147公里的纪录。他创办的公司，后来成为世界最大的汽车企业福特汽车。1906年1月，由斯坦利兄弟设计的蒸汽汽车“斯坦利火箭”，在美国佛罗里达创下了时速205.45公里的纪录。这比其他任何交通工具都要快。到1938年8月，英国人乔治艾斯顿(George Eyston)驾驶Thunderbolt号汽车，在美国犹他州巴纳维亚盐滩，创下了时速555.55公里的世界纪录。这在很长一段时间内，成为陆地最快速度的极限。 直至第二次世界大战结束，随着火箭发动机和涡轮喷气发动机技术日渐成熟，飞机和火箭速度迅速提高，甚至突破了音速。1947年10月4日上午，美国飞行员查克耶格尔（Chuck Yeager）上尉，从加利福尼亚州缪罗克空军基地起飞，由B-29轰炸机携带他驾驶的贝尔X-1型火箭飞机，升至6000米高空，母机随即投下X-1飞机。X-1飞机由一台XLR-11火箭发动机为其提供动力，采用液氧与酒精和水的混合物作为燃料。耶格尔按程序点着了4个燃烧室，飞机马赫数达到0.88，飞机开始颤振，耶格尔随即关掉2个燃烧室。飞到12800米高空时，耶格尔使飞机平飞，又打开第3个燃烧室，飞机开始加速，这时空中传来了像打雷一样的巨响，他超过了音速。后来测定，耶格尔飞到了1.07马赫，即每小时飞行约1120公里。这是人类首次实现超音速飞行。 超音速飞行在当时的技术条件下，存在很大的危险性。因为飞行器在速度接近音速时，前方空气不断被压缩，形成压力波并以音速扩散。飞行器在0.8倍音速以下的亚音速飞行时，压力波跑在飞机前面，在一定程度上起到把前方空气推开的作用。但当飞行速度达到音速时（空气中340米/秒），前方的压力波“躲闪不及”，叠在一起，阻力急剧增加，空气阻力比亚音速时增加3倍，飞行器就像一头撞到一堵墙上一样，这就是“音障”。更严重的是，音障激波会使流经机翼和机身表面的气流，变得非常紊乱，从而使飞机剧烈振颤，操纵十分困难，处置不当就会机毁人亡。音障发生时还会发出巨大的爆炸声，称为“音爆”。强烈的音爆不仅会对地面建筑物产生损害，对于飞行器本身伸出冲击面之外部分也会产生破坏。1946年9月27日，英国著名试飞员杰弗里德哈维兰驾驶DH.108型试验机飞行时，从高空向下俯冲，希望在短时间里超过音速。当飞机达到0.94马赫时，飞机空中解体，哈维兰不幸遇难。1940年，梅塞施米特Me-109战斗机在德国不伦瑞克市郊松林中，德军绝密的戈林空气动力学研究所进行全尺寸风洞试验。这种德军王牌战机，共生产了33000架，是当时最快的活塞螺旋桨飞机。德军头号王牌哈特曼少校长期使用的也是该机型，共击落敌机352架。图片来自德国航空航天中心科隆档案馆。现代空气动力学的发展 哈维兰只是人类在向超音速挑战过程中牺牲的先驱之一。在20世纪初至二战后的短短50年中，人类航空器取得了突破性进展，从活塞螺旋桨飞机，进化到喷气式超音速时代，这得益于现代空气动力学理论和实验手段的发展。空气动力学研究起源于17世纪的欧洲，荷兰科学家惠更斯首先估算出物体在空气中运动的阻力。1726年，牛顿应用力学原理得出：物体在空气中运动所受的力，正比于物体运动速度的平方和物体的特征表面以及空气的密度。这可以看作是空气动力学经典理论的开始。 1755年，瑞士数学家欧拉得出了描述无粘性流体运动的微分方程，即欧拉方程。19世纪上半叶，法国人纳维和英国人斯托克斯，提出了描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程，后称为纳维-斯托克斯方程。到19世纪末，经典流体力学的基础已经形成。20世纪初，随着航空事业的迅速发展，空气动力学便从流体力学中发展出来，并形成力学的一个新的分支。 空气动力学发展的另一个重要方面是实验研究。空气动力学试验分为实物试验和模型试验两大类。实物试验包括：导弹实弹发射和飞机弹射座椅试验等，这类试验费用昂贵，试验过程难控制，但是取得的数据不容易失真，一直是鉴定飞行器气动性能和校准其他实验结果的最终手段。由于气动试验的测试物，如飞机、导弹、火箭等体积庞大，因此将其做成等比例模型，进行模型试验，可以有效降低试验费用和控制难度。 空气动力学实验按空气（或其他气体）与模型（或实物）产生相对运动的方式不同可分为3类：空气运动，模型不动；如风洞实验。空气静止，物体或模型运动：如火箭橇实验（用火箭推动在轨道上高速行驶的滑车携带模型进行实验），旋臂实验（旋臂机携带模型旋转而进行实验），模型自由飞实验（有动力或无动力飞行器模型在空气中试验飞行）空气和模型都运动，如风洞自由飞实验（相对风洞气流投射模型而进行实验）、尾旋实验（在尾旋风洞上升气流中投入模型，并使其进入尾旋状态而进行实验）等。1907年，普朗克教授在德国哥廷根空气动力研究所，建成世界第一座超音速风洞。图为1918年科研人员在哥廷根风洞，对齐柏林飞艇LZ120“博登湖”号的模型进行风洞测试。图片来自德国航空航天中心哥廷根档案馆。气动试验设备概况 风洞、火箭撬、旋臂机、特种验证飞机等气动实验设备的发展已有上百年历史。1871年，英国人F.H.韦纳姆建成了世界上第一个风洞。1900年，美国莱特兄弟建造了一座截面为406406平方毫米、长1.8米的风洞，用天平测出了机翼升力、全机阻力和压力中心数据。在此基础上，1903年莱特兄弟制成了人类第一架有动力的飞机，并成功飞行。1907年，现代流体力学奠基人普朗克教授，在德国哥廷根空气动力学研究所，建成世界第一座超音速风洞，试验速度可达到1.5马赫。此后德国不惜巨资修建了一批低速、高速、超高速和特种风洞，在世界上率先研制出喷气式飞机、巡航导弹、弹道导弹等尖端武器。 但是风洞试验有其局限性，由于早期制造的风洞，试验段尺寸较小，只能进行较小的模型试验。科学家们便另辟蹊径，采用其它方式进行全尺寸试验。如同照片中显示的：1912年，德国哥廷根空气动力研究所将一辆铁路板车，改装成了螺旋桨试验车；在哥廷根至阿伦斯豪森（Arenshausen）的铁路上进行测试。这辆试验车在尾部铆接上支架，安装上飞机螺旋桨进行效能测试。1916年，德国柏林气体动力学研究所（DVL），进行了一次更加夸张的试验。他们在一辆铁路板车中部，安装上10米高的高台支架；再用厂房起重机将一架双翼飞机吊装到高台支架上。最后用一辆蒸汽机车，拖着测试飞机在铁轨上高速前进。这种试验可以检测飞机在低速状态下的性能。 随着螺旋桨飞机的飞行速度越来越高，用蒸汽机车来牵引测试飞机，已经难以满足试验要求。人们便想到用火箭来推动测试物在铁轨上前进，以达到高速状态。这种想法早先应用于汽车试验上。1928年6月23日，德国欧宝汽车公司研制的Opel RAK III无人火箭车，在吕塞尔斯海姆测试场加速到时速254公里。该车尾部安装有20根小火箭喷管，点火后喷着长长的尾焰推动车辆在铁轨上前进。这种结构，就是本文主角火箭撬的雏形。1928年6月23日，德国欧宝汽车公司研制的无人火箭车Opel RAK III加速到时速254公里，车尾装有20根小火箭喷管，一直在欧宝自己的吕塞尔斯海姆测试场秘密试验。这可以看作是火箭撬的雏形。火箭撬横空出世 德国、美国、苏联都是最早进行气动试验和航空武器研究的国家。1926年3月16日，美国工程师罗伯特戈达德博士，在马萨诸塞州成功发射了世界第一枚液体燃料火箭；但在当时火箭技术并没有被美国政府重视，却引起德国军方的关注。1933年德国纳粹上台后，急于突破凡尔赛条约的限制，开始大规模研制新型武器，其中包括规模庞大的火箭研制计划。火箭研制基地位于柏林南部小镇库莫斯多夫(Kummersdorf)附近，参与者包括“导弹之父”冯布劳恩。1937年德军又在波罗的海沿岸的佩内明德（Peenemunde)村，建成一座完整的研究基地。包括实验室、试验台、风洞和营房。这里是纳粹德国的秘密武器研制基地，参与测试了V1、V2导弹以及Me163和He177等秘密机种。 二战末期超音速武器的出现，刺激各国政府展开军备竞赛，由此建造了一大批气动试验设备。美国是最早进行火箭撬超音速研究的国家。1943年，美国战争部（国防部前身）将研制火箭的任务交给了加州理工学院和美国海军，他们选择在加州中部的中国湖（Chinalake）地区，建设海军空战武器中心（NAWC）。这是美国海军最大的武器研制基地，占地4400平方公里，拥有4000多人，主要研制美军各类导弹、弹射座椅及电子战系统，曾参与研制美国第一颗原子弹和阿波罗登月计划。1944年，中国湖基地建成一条代号“B-4”的火箭撬试验滑轨，全长6800英尺（2073米），主要用于导弹高速测试。1953年又增建了一条海军超音速武器研究滑轨（SNORT），全长21550英尺（6569米）。在1959年的一次测试中，创下了时速4972公里的纪录，相当于音速的4倍！ 1944年，美军还在加州爱德华兹空军基地，建成代号“Gee Whiz”的火箭撬滑轨，全长2000英尺。1949年又在该基地增建一条高速滑轨，后来延长到20000英尺（6096米）。1951年，桑迪亚国家实验室在新墨西哥州阿尔伯克基市科特兰德空军基地，建成一条代号“Sandia 1”的滑轨，全长2000英尺。1966年又增建了代号“Sandia 2”的滑轨，全长10000英尺。桑迪亚国家实验室是美国核武器研发机构之一。 1954年，新墨西哥州阿拉莫戈多的霍勒曼空军基地，建成霍洛曼高速测试滑轨（HHSTT）1&2号线，该轨道后来延长至50