未能成行的临近空间飞行器——德国“银鸟”轰炸机_风闻

作者：兰顺正

首发自：临空视野

近年来，关于临近空间军事应用的研究不断出现，其实早在上个世纪的中期，该领域就曾经出现过相当亮眼的设计，那就德国的“银鸟”临近空间轰炸机。

天马行空的设计者

奥地利宇航科学家欧根·桑格尔是“银鸟”的发明者。1905年森格尔出生在当时还属于奥匈帝国的波希米亚。求学时代他先后在格拉茨和维也纳的技术学院学习土木工程。在此期间,他接触到了赫尔曼·奥伯特所著的《乘火箭进入行星空间》一书,这使他对航空航天产生了极大兴趣,并放弃了土木工程的学习加入了以奥伯特为首的德国业余火箭爱好者运动—VfR(意即航天社)。

1929年，桑格尔完成了论文《火箭飞行技术》，但由于教授们认为其太不切合实际、幻想而太奇异，遭到大学拒绝。他将毕业时，提交的是一篇关于机翼析架静力学的论文，才允许毕业。1933年,桑格尔把他被驳回的论文扩写后,以《火箭飞行工程学》为题公开出版。书中他提出了“火箭动力滑翔机”概念,设想飞行器应当达到10马赫的极速,飞行剖面由抛物线轨道和水平滑翔两部分组成,飞行高度可达到60一70公里，但论文又被拒绝发表。1935年6月和1936年2月,桑格尔又为奥地利《飞行》杂志撰写了多篇文章阐述动力火箭飞行方面的理论和他的见解。这引起了德国空军部的重视,后者认为桑格尔的理论和设想提供了一种制造全球战略轰炸机的可行之路。

1936年，桑格尔接受德方邀请，成为德国空中运输测试中心的一员，次年被任命为火箭飞行研究中心的主管。在那里桑格尔潜心于高压火箭发动机技术和远程火箭滑翔机理论的研究。他逐渐构思、完善了一个低轨道空天轰炸机的概念:利用火箭滑撬起飞，主发动机推进飞机至大气层边缘，然后沿大气圈上部进行一系列连续的亚轨道“弹跳”，飞越遥远的距离。

极具前卫色彩的“银鸟”

在1933年出版《火箭飞行工程学》一书时，森格尔就描绘了火箭滑翔机的简单外形:机身是一个前端尖锐的圆柱体，带有一对适合超音速飞行的短而宽的机冀，垂尾位干平尾末端，以腾出机身尾部空间容纳高压火箭发动机的尾喷口。到30年代末，森格尔逐步完善了这个方案，机体被改为平底状升力体，同行们谑称其为“熨斗”，研究中心正式赋予的名字则是 “银鸟”。

“银鸟”最终方案是一种超音速、同温层飞行的有人驾驶轨道飞行器。“银鸟”的机身极为扁平，以提供尽可能高的升力，相较之下，横截面为楔形的机翼显得短小。机身尾部装有两个水平尾翼，平尾尖端各有1个小型垂尾。燃料装在2个大型油箱内，并列布置在机身两侧，与机翼后缘相接。油箱前方则是2个大型液氧容器。油箱后方，机身尾部装有1台推力高达100吨的主火箭发动机，两侧还布置有2台辅助火箭发动机。机身前端是飞行员的加压座舱。“银鸟”采用了前三点起落架，前起落架向后收起，主起落架向内侧收起，收纳于液氧罐外侧。炸弹舱位于机腹中央，可携带一枚重达3629公斤(8000磅)的自由落体炸弹。“银鸟”的飞行高度和速度早已超越了当时人们的想象，所有的防空武器对其都将没有效力，因此方案根本无需考虑自卫武器的布置。

在作战设想中，“银鸟”轰炸机和V-1导弹一样借助滑轨起飞，长达3公里的轨道上，推力高达600吨的助推火箭将赋予“银鸟”极高的初速。达到起飞速度后，“银鸟”以30度角升空，到达1500米高度时，速度已达到1.5倍音速(1850公里/小时)。这时它已抛掉了笨重的助推火箭，主火箭发动机点火，在90吨燃料产生的强大推力下，“银鸟”将在8分钟内爬高至145公里(也有资料称“银鸟”的轨道高为260公里)，速度高达22100公里/小时(6.14公里/秒，接近第一宇宙速度)。

“银鸟”进入亚轨道后开始转入平飞，此后在加速度和重力的双重作用下开始一连串的抛物线飞行。首先，它的飞行高度将降低到40000米(密度相对较高的空气层)，随后由于激波作用到机翼和机体上，产生额外升力，飞机就像在水面上打水漂的石块一样向上弹去，重新获得飞行高度，并且同时冷却进入“稠密空气层”时飞机与空气剧烈摩擦产生的巨大热量。充分利用高速飞行中所产生的激波的巨大能量，使飞机就像冲浪一样顺利飞抵数千甚至上万公里之外的目标。在飞行过程中，这样的乘波“弹跳”将发生数次，第一次“弹跳”后，“银鸟”将回到125公里的高度，然后再次重复之前的抛物线弹道，每次“弹跳”后的高度呈阶梯状下降，从125公里到90公里再到80公里，依此类推，直至最后进人对流层的巡航平飞并最后依靠起落架滑跑着陆。在这一连串的“弹跳”中，“银鸟”足以飞越大约23500公里的漫长航程(14594英里)。也就是说只要航线选择得当，完全可以从德国起飞，跨越大西洋，轰炸纽约后从太平洋上空掠过，跨越欧亚大陆，返回德国。

桑格尔的研究进展顺利显然得益于德国在上世纪30年代近10年时间对火箭滑翔机理论的研究以及获得的实践经验。超音速飞行的气动外形选择问题经过大量风洞测试得以解决，而再入飞行器—A4火箭则提供了极音速飞行的直接经验。1941年6月当德国入侵苏联时，为全尺寸火箭发动机测试而设计的测试设备已经开工建造。由于战事紧张，“银鸟”又属于未来科技研究项目，因此在空军部的命令下轨道轰炸机项目暂停，以保证其他已完成和具有更高技术可行性、近期内能够完成的科研项目。桑格尔则被调往德国滑翔机研究所(DFS)进行冲压喷气发动机的研究。

尽管如此，桑格尔与其妻子伊雷妮·布雷特仍然继续研究火箭动力滑翔机，并于1944年夏季正式提交了关于轨道轰炸机的报告。在报告中，森格尔详细描述了“银鸟”的性能和飞行剖面，上文出现的1500米高度达到1850公里/小时速度；主发动机推力100吨；90吨的液氧和柴油在100个大气压的燃烧室内充分燃烧，可提供3000米/秒的排气速度，足以推动其冲上260公里高空等数字都出自这份报告。在报告中，桑格尔还提出了继续提升火箭发动机推力的建议，他自己在火箭研究中心设计的高压试验火箭发动机达到了10千牛的推力数值。桑格尔相信，通过在柴油中使用金属散布技术可以进一步提升发动机推力。桑格尔对于在石油燃料内使用不同金属的散布有着丰富的经验，他曾用铝、镁和铍做过试验。利用高水平的加工工艺可以得到极其细微的金属粉末，添加入燃料后可以提高油料的粘性，油料/金属混合物中金属粉末所占比重最高可达30%，最终的浆状混合物非常耐储存，同时又不会堵塞气门、燃料喷嘴或损坏泵机。桑格尔相信，油料/金属混合物的燃烧效率更高，提高的温度最终转化为更高的排气速度—7000米/秒，这相当接近第一宇宙速度，由此可以使他的“银鸟”获得更远的航程。轨道顶点将提升到290公里，第一个抛物线弹道就将跨越6750公里的距离，距起飞地点27500公里处进入水平滑翔阶段，飞行全过程耗时3小时40分。

最后随着纳粹德国的战败，“银鸟”计划不了了之，而其他科学家通过研究发现了“银鸟”设计上的一个错误，那就是“银鸟”飞机表面的温度远远高于桑格尔和布雷特的计算。如果根据两位德国科学家的计算方法建造了“银鸟”，飞机的结构、工艺就会存在严重的缺陷，出入大气层时就会被摧毁。这个问题虽可以用隔热层得到解决，但会减少飞机的有效载荷，装载能力就会很小。但必须承认的是，“银鸟”确是一款出色的临近空间飞行器设计，桑格尔关于“银鸟”的理论、技术对后来的X-15高超声速飞机、X-20载人航天轰炸机等都产生巨大影响，并最终影响到美国、苏联的航天飞机计划，促进了人类航天的历史进程。