鲁达 小火箭出品
本文作者：邢强博士
原文题目：井与肼的魅惑：大力神2号洲际弹道导弹
本文是小火箭经典导弹和运载火箭系列文章第二季的第10篇。本季第1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2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，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。在第3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4篇和第5篇中介绍了冯·布劳恩博士与开创美国火箭和导弹工业的红石导弹。在第6篇和第7篇中介绍了法国的航天先驱以及法国在二战后融合本国的航天技术与德国V-2导弹的技术走出了独树一帜的道路，并成为世界上第三个独立发射卫星的国家的事情。在第8篇和第9篇中，小火箭对大力神1号洲际弹道导弹进行了较为详细的介绍。
本篇是小火箭经典导弹和运载火箭的第二季系列文章的完结篇。小火箭决定以大力神2号洲际弹道导弹来完结这个系列。
上面这张大力神2号导弹（编号395-C，美国空军将其称作395-Charlie）发射瞬间的照片恰好展示了她的两个重要的特点：
第一，棕红色的尾烟说明了美国终于开始转为使用肼类燃料和四氧化二氮氧化剂这样的常温配置了。从大力神2号导弹开始，液氧煤油方案在洲际弹道导弹中逐渐成为历史。
第二，大力神2号导弹是从导弹地下发射井内点火升空的。这种方式极大地增强了导弹的生存能力和快速反应能力。
因此，小火箭认为，大力神2号导弹的诞生，是井和肼对工程技术人员产生了强有力的魅惑之后的必然产物。
一切为了快
其实说起来，美国空军对马丁公司研发的大力神1号洲际弹道导弹还是比较满意的。（详见小火箭的公号文章《大力神1号：美国最早的二级洲际弹道导弹》）。
这种二级导弹的设计让大力神1号洲际导弹拥有了巨大的投掷能力和超远的射程。美国空军也是一口气就订购了70枚（这在当年可不是个小数目，要知道，大名鼎鼎的宇宙神导弹只有区区24枚的总出货量）。
但是，美国空军在多次试射和长时间的维护保养中，发现了采用液氧煤油燃料的大力神1号洲际弹道导弹的缺点。
液氧这种温度只有-183℃的氧化剂实在是太难伺候了。（法国工程师这时候要偷笑了，因为他们早早地就放弃了液氧煤油的方案，改用常温推进剂了，详见小火箭的公号文章《跌宕起伏！法国的导弹与火箭工业是如何起步的？》）而且，液氧和煤油需要用点火器进行点火，然后再等待他们迸发出的火焰产生足够的推力。
有没有一种能够平时安安静静地呆在贮箱里，需要的时候，又能够一点就着的燃料方案呢？
有的，那就是肼和四氧化二氮燃料方案。
肼的分子结构示意图（蓝色为 氮 ，白色为 氢）
从燃料的角度来说，肼是一种不错的选择。肼的沸点为113.5℃，常温下呈液态。而且，肼与强氧化剂一旦接触，就会立即燃烧，无需专门设计点火装置。
这是实验室环境中的肼样本。可以看到，常温状态下的肼是无色透明液体。
不过，无水肼本身的热稳定性比较差，不够稳定，因此，人们通常使用的是偏二甲肼。
偏二甲肼分子结构示意图（蓝色为 氮， 黑色为 碳，白色为 氢）
大力神2号洲际弹道导弹使用了50%的肼和50%的偏二甲肼的混合物，这就是传说中的混肼-50推进剂。
不过，肼和偏二甲肼都是剧毒物质。吸入肼蒸气，会严重刺激鼻腔和上呼吸道，还会令人出现头晕、恶心、呕吐等一系列中枢神经系统中毒症状。肼蒸气对眼睛和皮肤有强烈的刺激作用，可导致眼睛永久性损伤、皮肤严重灼伤。
肼蒸气可经皮肤吸收，引起人员中毒，出现暂时性的中枢性呼吸抑制、心律紊乱等症状。因此，在使用过程中，一定要注意防护。
这是大力神2号导弹的火箭燃料操作工的防护服。
这是实验室中的二氧化氮/四氧化二氮试样（根据中学化学知识，我们知道，这两种气体大部分时间都是一种混合与相互转化的状态）。
5个试样的温度不同，导致颜色不同（棕红色的四氧化二氮的浓度不同），从左至右，温度依次为：-196 °C, 0 °C,23 °C, 35 °C和 50 °C。
在导弹基地指挥官按下发射按钮的时候，一股28伏特的直流电会通到两个固体燃料的启动药柱上，药柱产生的燃气让涡轮泵旋转起来，将混肼-50和四氧化二氮泵到火箭发动机的燃烧室。
两种燃料一接触，就会燃烧。（严格来说，还是有一定时间间隔的。如果小火箭没有记错的话，四氧化二氮和肼混合后的点火延迟为2毫秒，四氧化二氮和偏二甲肼混合后的点火延迟为4毫秒。）
然后，一小部分推进剂借助压力，冲入单向阀门，进入燃气发生器后，发生自燃，产生的燃气推动涡轮泵持续旋转，使得火箭发动机持续工作。
上上图是大力神1号导弹的LR-87-3液氧煤油发动机，上图为大力神2号导弹的LR-87-5混肼-50/四氧化二氮发动机。
LR-87-5的结构更为简洁，燃烧室压力为5.4MPa，比大力神1号的LR-87-3的燃烧室压力（4MPa）大了不少。
大力神2号导弹一级火箭发动机局部特写。较粗的是四氧化二氮输送管，较细的，靠右侧的是混肼-50输送管。
喷管依然是由250根小管子钎焊而成。这些小管子是中空的，方便对管子进行冷却并预热燃料，这个在之前的文章中也详细说过了。这些小管子的壁厚只有0.5毫米！大力神2号的喷管比大力神1号的喷管做工更好一些，毕竟，她们可是要承受956.5千牛的推力！（大力神1号的一级发动机喷管只需承受666.4千牛的推力。）
喷管的材料是347不锈钢。347是美国ASTM标准确立的标号，对应到咱们中国的国家标准，应该叫做0Cr18Ni11Nb不锈钢。
在大力神1号导弹中，小火箭已经对大力神的一级发动机喷管进行过相关计算，这里就不再赘述了。
大力神2号导弹的第二级采用一台LR-91液体火箭发动机。该发动机一开始的设计是烧液氧煤油的，后来改为混肼-50/四氧化二氮配置，使大力神2号导弹成为了一枚全部采用常温燃料的洲际导弹。
大力神2号导弹的惯性导航系统元器件。大力神2号导弹采用全惯性制导体制。
矗立在导弹发射井里的一枚大力神2号洲际弹道导弹。
大力神2号导弹，全长31.394米，最大直径3.05米，发射重量154.00吨。（大力神1号导弹，全长31米，最大直径3.05米，发射重量105.14吨。）
也就是说，在外形尺寸变化不大的情况下，大力神2号导弹的发射重量比大力神1号重了46.47%。
另外一个让大力神2号导弹的反应速度比大力神1号导弹快的措施就是导弹能够从井下直接发射升空。
这是大力神2号导弹的发射过程。可以看到，导弹是从井下点火的，导弹尾烟通过发射井两侧的导流通道导向地面。
而大力神1号导弹则是先打开发射井的盖子，然后把导弹托举到发射井上面以后再点火的，可费劲了。
仔细看发射井的盖子的话，也能看到大力神2号与大力神1号的区别。
大力神1号导弹贮存井（注意不是发射井）的井盖由两扇门组成。这两扇门由高强度钢焊接而成，重106.1吨。每扇门大致为长方体构造，长7.2米，宽4.94米，厚1.058米。大力神1号导弹要发射之前，两扇门向两侧打开。
而大力神2号导弹的井盖是一个整体，发射之前，由液压系统顶向一侧，是水平滑开的。（上上图是盖住的样子，上图是井盖向左侧滑开，露出发射井的样子。注意，中间那个大洞就是导弹的发射井，大洞两侧的栅格状孔洞是排烟道，用于排出导弹井下点火时产生的尾烟。可千万别掉下去，这口井深44.5米呢。）
也就是说，从大力神1号导弹的井盖到大力神2号的井盖，经过了由双开门变成推拉门，或者说是由翻盖手机变为滑盖手机的改进过程。
这样的改进使得井盖的反应速度比以前快了近10倍，同时，盖子还能做得更重了。（以前是翻开式的，每个盖子重106.1吨，现在采用滑动式的，盖子重750吨。）
这种滑盖式的设计后来被很多型号所借鉴，比如上图这个民兵导弹的发射井。这个盖子的厚度达到了令人发指的1.47米。仔细看的话，会发现上面盖了一层不像钢板的材料。那是一层25厘米厚的硼酸盐反辐射混凝土。这些将在小火箭的经典导弹与火箭的第三季中详细分析。
说到发射井，就不得不提到它的抗核打击能力。如果核弹头没有直接命中的话，井内导弹要面临的最大威胁就是从土壤传递过来的冲击波了。
大力神2号导弹的发射井为了对抗冲击波，里面铺设了一层厚厚的消音材料。（平均厚度为900毫米）另外，大力神2号的井继承了大力神1号的井里面的弹簧构造，而且开始将其发扬光大。
这些弹簧能够尽量耗散掉有可能袭来的核弹头引起的冲击波。
仔细看的话，会发现，连井内的灯都是吊在弹簧下面的。
有些地方还采用了更为复杂的弹簧，可以说，井里面处处是弹簧。
另外注意红色桌子上的钥匙盒子。大力神2号洲际弹道导弹的发射井里面一共需要10种钥匙。
读过小火箭之前文章的好友知道，大力神2号洲际核导弹的发射井里所有的控制输入只有在两把钥匙同时插入且同时旋拧的时候才能够有效，这就是核导弹发射程序中的“双人有效”制度。（防止在密闭空间中待得太久的操作人员出现误启动导弹的错误。）插在控制面板中央的是发射井指挥官的钥匙。在侧面的是副官的钥匙。两个钥匙孔之间大约有2米的距离，而且还隔着一张大铁桌子，使得一个人无法同时旋拧两把钥匙。
既然来到了发射井控制室，就不得不提一个设计了：
大家看出导弹发射井中的钟表与咱们日常生活中用的钟表有什么不同了么？这种钟表除了很结实之外，还有一个特点，就是它们的时针旋转一周表示24小时（咱们常用的指针式的钟表，时针旋转一周为12小时。一个昼夜，时针旋转2圈）。
上面的这个表，显示的时间是：17点41分35.5秒。
小火箭在这里要强调的是：这种设计不是为了彰显发射井的神秘气氛，而是有很大实际意义的。在地球表面生活的人，要区分钟表的时针指向8的时候表示的是早上8点还是晚上8点的话，只需看一眼窗外，判断此时是白天还是夜晚就可以了。而发射井中的值班人员始终看不到太阳，无法区别白天黑夜。因此，需要有这种24小时制的钟表来无歧义地显示时间。
那么，作业来了，请问上面的两个时钟分别显示了什么时刻呢？
大力神2号导弹的电气接头。
注意发射井井壁的栅格状的物体。这是收起来的维护踏板。需要的时候，踏板会像电影院里的折叠沙发那样展开，供工作人员在上面站立。
位于发射井6层的控制面板。有关大力神2号导弹的维护和控制面板在紧急情况下的作用，小火箭会专门另写一篇长文章分析。
井内的燃料输送管。左侧是混肼-50输送管，右侧比较粗的，是四氧化二氮输送管。
大力神2号洲际弹道导弹搭载了一枚当量为900万吨TNT的氢弹。
这种氢弹试爆的场景。摄于1958年6月28日。
大力神2号导弹的弹头，为烧蚀式，外面有一层环氧树脂。
大力神2号导弹在美国各地的部署情况，其中阿肯色州是重点部署区域。
大力神2号导弹，自1962年3月12日首次发射以来，共进行了106次发射，其中101次成功（作为洲际弹道导弹发射81次，成功77次）。
因为这款二级洲际弹道导弹有着很强的投掷能力，这使得美国空军、美国宇航局NASA以及美国国家海洋和大气管理局NOVA同时看上了她。
大力神2号导弹华丽变身为一款成功的运载火箭，其命运充满了意外与惊喜，但在后人看来是那么的自然。
这是作为运载火箭使用的大力神2号的发射场景。
大力神2号洲际弹道导弹是二十世纪八十年代美国唯一的陆基常温燃料洲际弹道导弹。她面临着来自海中的潜射洲际弹道导弹和以民兵导弹为代表的固体燃料洲际弹道导弹的强烈竞争。从1984年开始，大力神2号导弹逐渐退役，到1987年，该导弹全部退役。不过，退役后的导弹没有全部被销毁，而是被有组织地封存了起来。（而作为运载火箭使用的大力神2号则用了很久。2003年10月18日，最后一枚大力神2号运载火箭发射升空。）
马丁公司提出了大量方案，努力试图延长大力神2号导弹的服役寿命。不过，终归还是没能让这种导弹存活到90年代。
不过，马丁公司提出的一套方案至今仍然值得我们借鉴：
小火箭好不容易找到了马丁公司对于消减肼类燃料对环境危害的一种方案。（当年，人们对这款导弹诟病最大的就是她采用的剧毒和腐蚀性燃料了。）
马丁公司的方案是：一旦肼燃料泄漏，就用大量的水将其变成肼溶液。然后，把这些溶液导入一个巨大的水池中，向池子里注入0.2毫克/升的铜离子催化剂。接着，用特制的水泵和喷头把这些溶液尽量向高处喷，然后让喷向空中的小液滴自然落入池子。在空气中氧气的作用下，肼逐渐被氧化成无害的物质。当年美国空军采用的巨型喷头，每分钟可以向空中喷洒60升肼溶液。在不间断地喷洒20天后，溶液中的肼浓度能够减小到难以检出的程度。
小火箭记录并向各位工程师好友公开马丁公司的方案，希望能够对想要使用肼作为燃料的好友们有所帮助。
摄于2006年的戴维斯-蒙森空军基地的大力神2号导弹群。数一数，有38枚半。
至此，小火箭经典导弹和运载火箭系列文章第二季完结。小火箭希望在第二季中，V-2、R-7、红石、宇宙神、大力神还有法国火箭的设计细节和计算结果能够让你体会到一名导弹/火箭设计师要面对的方方面面的挑战以及巧妙的应对之道。感谢大家一直以来对小火箭的鼓励和支持！
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