呼啸的天空——纳粹德国V-1飞弹系统

万磁王

作者：Silencsrv

　　二战后期纳粹德国为了报复同盟国，挽救自己败亡的命运，研制了一大批所谓“复仇武器”并以字母 V 打头。其中多数没有走出纸面设计阶段，只有很少几种研制成功并在战争中发挥作用，其中就有大名鼎鼎的 V-1 飞弹（英国人戏称其为“Doodlebug”——意为超级赛车）——一种由脉冲式喷气发动机驱动的无人驾驶高速飞弹，是公认的现代巡航导弹的鼻祖。V-1 飞弹由位于佩内明德基地的纳粹德国空军研究机构于二战期间研发，由于它是德国 V 系列超级武器中第一个问世的，故被命名为 V-1。其设计目的是用于攻击英国首都伦敦。1944 年 6 月 13 日——就是盟军在诺曼底登陆后一周，V-1 飞弹从部署在法国、荷兰海岸的代号为“Ski”（这个词在法语和德语中均意为“滑板”）的发射场起飞攻击伦敦。在第一轮发射高峰中，共发射 9,521 枚 V-1 飞弹。而到了 1944 年 10 月，伴随盟军进攻的脚步，德国一线发射场陆续被占领，于是 V-1 飞弹又开始转移阵地，袭击比利时安特卫普等地的盟军目标，第二轮发射高峰中共计发射了 2,448 枚飞弹。直到 1945 年 3 月 29 日最后一处 V-1 发射阵地被攻占，V-1 飞弹共造成了 22,892 人伤亡，其中大多数是平民。

德军将 V-1 安装在发射架上准备发射

佩内明德基地的 V-1 发射场

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V-1 飞弹的研发历程
　　关于巡航飞弹的构想其实早在上世纪初就有了，几乎和军事航空历史同样悠久。1915 年美国斯佩里（Sperry）公司就提出过“飞行鱼雷”的构想——用一台陀螺仪控制一架小型飞机飞行；之后英国也提出了类似设想：研制了“喉”（Larynx）飞弹，并于 1927 年在皇家海军的“堡垒”战舰上进行了发射试验。不过上述尝试在美英两国都没有坚持下去，只有美国海军还在研制螺旋桨驱动的巡航飞弹，一直坚持到二战期间，只是他们的研究成果无论是从数量还是质量都没办法和德国比。
　　与英美形成对照的是一战战败国德国对这个构想很重视，并一直坚持研究：在德国关于巡航飞弹的研究早在 1936 年就开始了，当时受雇于阿格斯（Argus）公司的科学家 Fritz Gosslau 开始深入研究远程遥控飞行器的研制可行性。当时阿格斯公司已经研发了一型远程遥控飞机——AS.292（军方编号 FZG 43）并做为靶机交付军队使用。到了 1939 年 11 月 9 日，一种更加成熟的无人飞行器设计方案被赶制出来并呈报给 RLM——第三帝国航空部。按照这个方案，该机可以携带 1,000kg的有效载荷飞行 500km，但在当时这个方案并不受重视，毕竟二战已经爆发，有限的生产力要优先安排给更紧迫的需求——Bf 109 战斗机、Bf 110 双发战斗机和 Ju 88 轰炸机等等。后来阿格斯公司与另两家企业——Lorentz AG 和 Arado Flugzeugwerke 联合搞了一个合资企业——Fiesler 飞机制造公司继续这方面的研发。这三家公司总的说各有专长：阿格斯长于发动机设计，著名的倒 V 字发动机就是这个公司的产品；Lorentz AG 在无线电导航方面技术实力很强，德国第一套实用的无线电盲降系统就是这个公司的产品；Arado Flugzeugwerke 公司是飞机制造公司，战前从事竞赛飞机的研制，但是二战期间主要涉及教练机和运输机，对于作战机型的气动设计不在行。这点日后一度成了制约 V-1 发展的最大瓶颈。到了 1940 年 4 月，Gosslau 又一次向帝国航空部提交了修改后的设计方案——“Fernfeuer”方案，就是后来的 P 35“Erfurt”方案。

上图是 Gosslau 最初提出的几种设计方案，看得出第一个方案比较前卫：纺锤形弹体、上反下单翼、后置火箭发动机，设计很超前但技术风险大；第二个方案比较保守：类似飞机气动设计、平直上单翼、前置活塞式发动机；第三个方案就是 P 35 方案，圆柱形弹体、中单翼适度上反维持横向稳定性、双垂尾布局、脉冲式发动放在弹体后上方，样子很接近后来的 V-1 飞弹

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　　但是评估了 P 35 后，当年 5 月 31 日，德国航空部的长官 Rudolf Bree 认为该型武器技术上不成熟、用途不明确，不能投入生产加入德军装备序列（此外还有一条原因不可忽视，虽然战争已经爆发了，但是当时德国在各条战线上都处于攻势，形势对德国很有利，空军把更多精力放在研制新型战斗机和轰炸机上，这种武器不被重视）。阿格斯公司的负责人 Heinrich Koppenbrug 很着急，亲自于 1941 年 1 月 6 日与恩斯特.乌德特（Ernst Udet）——当时帝国航空部的另一位主要负责人交谈，希望他能支持项目的研发。很可惜后者也拒绝了他的请求。
　　尽管四处碰壁，但是 Gosslau 却还是信心十足，他坚信自己的方案是可行的，就是应当朝尽可能简化的方向发展。确实从飞机设计的角度说 P 35 方案还算可以，但是从导弹设计的角度说就显得不够紧凑。但作为一个引擎制造企业，阿格斯尽管拥有非常丰富的航空发动机制造经验，但在飞行器结构设计方面却缺乏经验，这也是导致自己的设计方案迟迟不过关的最大根源，而且后续改进也不得法：按照 Gosslau 的想法：使用两台脉冲式发动机分别部署在飞弹两个主翼下，这样一来结构更加臃肿。于是公司负责人 Koppenburg 又把精力放在“访名师”上。经过一番牵线搭桥，他和当时著名设计师罗伯特.鲁泽尔（Robert Lusser）的助手联系上了，后者就是著名的亨舍尔飞机的主要设计师和技术负责人。1942 年 1 月 22 日，Lusser 加入了负责研制 V-1 飞弹的 Fiesler 飞机制造公司，2 月 27 日 Lusser 与 Koppenburg 会面，敲定自己加入 Gosslau 的项目组。这样一来无人遥控飞行器的研发实力大大增强了，经过 Lusser 的改造，Gosslau 的设计方案水平大有提高：与原先方案比紧凑了很多，原先的双发双垂尾构造被取消了，变成了单发布局，垂尾放在发动机和弹体之间成为发动机支架的一部分，即节约了空间又强化了发动机和弹体之间的连接，可谓一举两得。
　　这里要插入一段题外话，Robert Lusser 在离开亨舍尔公司来到 Fiesler 公司前正处于自己人生的最低谷：先后设计的 He 280 和 He 219 都被德国空军拒绝。亨舍尔对此十分不满，把他赶了出去，这才有他参与 V-1 飞弹设计的故事。这位半路出家的导弹设计师后来与导弹的缘分没有终结：战后他和冯.布劳恩等一批航空人才辗转到达美国，参与了许多航空航天项目的研制：开始时在美国海军的喷气实验室工作，在 1953 年又参加了冯.布劳恩领导的火箭计划，并最终创立了衡量产品稳定性的鲁泽尔定律。

在美的德国火箭专家，从左到右分别是（最后的美军不算）Ernst Stuhlinger 博士，Hermann Oberth，Wernher Von Braun（冯.布劳恩）教授，以及 Robert Lusser

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　　方案几经修改最终定稿，并于当年 6 月 5 日重新提交帝国航空部技术办公室。项目名称同时变更为 Fi 103，Fiesler 公司成为该项目的主合同承包商。此时 Fiesler 公司的人感到帝国航空部和空军的人对他们的态度有了明显转变，究其原因还是战局发生了变化：不列颠战役失利后，到了 1942 年 3 月，英国开始大规模轰炸德国境内的目标。希特勒要求德国空军尽快拿出对等的报复手段。但是德国空军原先计划研制的亨舍尔 He 177 重型轰炸机项目却一再拖延；此外德国陆军也在为自己的 A 4 火箭项目（就是后来著名的 V-2 火箭）争取支持，他们要努力让元首相信，不列颠战役里空军办不到的事情陆军能办到，办法就是用 A 4 火箭打击英国。德国空军由此决定也要研制属于自己的“复仇武器”。于是制定了代号为“Vulkan”（意为火山）的研究计划，其中就包括 Fiesler 公司提交的 P 35 方案，此时该方案拿到了正式的公司生产编号——Fi 103，军方的保密代号开始是“Kirschkern”（意为樱桃核），后来又改名为 FZG 76。到了 6 月 19 日帝国航空部负责人终于给了这个方案很高评价，并且责成 Fiesler 公司尽快制造实验样机交由位于 Karlshagen 的德国空军实验中心进行飞行试验。
　　到了 8 月 30 日，Fiesler 公司完成了第一架试验机机体制造；当年 12 月 10 日 Fi 103V7 飞弹（按照德国习惯，飞行器试飞型号都在正式编号之后用 V 标示）完成了第一次无动力飞行试验，当时是由 Fw 200 飞机负责空中投放的。

Fw 200 远程巡逻机

早期 V7 型号和后来生产型还是有差别的：弹体前部有一个不太常用的垂尾

1943 年 1 月 13 日，V6 型号进行了地面发射试验，注意前部垂尾已经没了，但是尾部垂尾还是穿透了弹体，延伸到弹体下方。另外飞弹的发射架是由 Rheinmetall-Borsig（莱茵钢铁）研制的，注意早期 V-1 飞弹发射架使用的是火箭助推器

　　从 1942 年 8 月 30 日第一枚 V-1 飞弹弹体制造完工到 1943 年 7 月底，总共试射了 84 枚 V-1 飞弹，其中空射 16 枚，其他都是地面发射。其中 28 枚发射成功；差不多三分之一的飞弹发射失败（完全没有发射出去或者离开发射架后陷入横滚坠入波罗的海）；飞弹的结构强度不足，用胶合板做的主翼飞行时发生过脱落的事故；制导系统与飞弹兼容性不好；发射架有问题需要重新设计；携带模拟战斗部飞行试验也没有做。当然试验中不是没有好消息：飞弹的飞行速度很快，至少有一枚飞弹的飞行速度达到了 625 公里/小时，飞行距离达到了 225 公里，飞行高度 140 米。而新的制导系统到 1943 年夏季才试验过关。造成上述情况出现的根源是 V-1 飞弹的各个部分开发由不同公司负责，各自并行研制，因此研制进度很难保持一致，一旦试验中出问题也弄不清究竟是哪个环节有问题。
　　1943 年 5 月 26 日，遵照希特勒的命令德军高层召开了一个专门会议讨论 V-1 和 V-2 是否能够满足军方的需要投入生产。讨论的结果是两种武器优势互补，都应当投入生产：V-1 飞弹容易被拦截，但是结构简单容易生产，而且部署起来比较方便；V-2 火箭则正好相反。到了当年夏末，德国军方制定计划：当年 8 月开始生产 V-1 飞弹，计划生产 5,000 枚。到 1943 年 12 月 15 日投入作战。

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V-1 飞弹的总体设计
　　V-1 飞弹的弹体主要由钢板焊接而成，而弹翼则采用了普通胶合板，平时可以拆卸下来，发射前装上去。其动力部分——一台脉冲式喷气发动机每秒可以以脉冲形式喷气 50 多次。而每当该型飞弹发射时，总会产生特有的“嗡嗡”噪声，这让它赢得了很多雅号——“Buzz bomb”，“Doodlebug”等等，而在德国人们通常用“Maikafer”（德语中“六月虫”）和 Krahe（德语中“乌鸦”）来称呼它。V-1 飞弹的气动布局采用近似飞机的布局，不同的是发动机顶置在弹体后上方，两根支撑杆支撑着它。其中前一根支撑杆里有导管将燃料输送到发动机里；后一根支撑杆上有飞弹垂尾，用来控制飞弹漂移稳定性。

V-1 结构图

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V-1 飞弹的动力段——脉冲式发动机
　　我们对于涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机比较熟悉了，但是对于脉冲式喷气发动机却很少接触，这是一种什么样的发动机呢？
　　查阅了《航模脉冲式发动机制作手册》，看到对脉冲式发动机的定义：
　　脉冲喷气发动机是喷气发动机的一种，可用于靶机，导弹或航空模型上。德国纳粹在第二次世界大战的后期，曾用它来推动 V-1 导弹，轰炸过伦敦。这种发动机的结构如图所示，它的前部装有单向活门，之后是含有燃油喷嘴和火花塞的燃烧室，最后是特殊设计的长长的尾喷管。
　　脉冲喷气发动机工作时，首先把压缩空气打入单向活门，或使发动机在空中运动，这时便有气流进入燃烧室，然后油咀喷油，火花塞点火燃烧。这时长尾喷管在燃气喷出后，由于燃气流的惯性作用，虽然燃烧室内的压强同外面大气的压强相等，仍会继续向外喷，所以在燃烧室内造成空气稀薄的现象，使压强显著降低到小于大气压，于是空气再次打开单向活门流入燃烧室，喷油点火燃烧，开始第二个循环。这样周而复始，发动机便可不断地工作了。这种发动机由进气到燃烧、排气的循环过程进行得很快，一秒钟大约可达 40~50 次（后来人们在阀门式脉冲发动机基础上进一步研制了无阀脉冲发动机，但总的原理大同小异）。

脉冲喷气发动机工作示意图

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　　脉冲式发动机在原地可以起动，构造简单，重量轻，造价便宜。这些都是它的优点。但它只适于低速飞行（速度极限约为每小时 640~800 公里），飞行高度也有限，单向活门的工作寿命短，加上振动剧烈，燃油消耗率大等缺点，使得它的应用受到限制。
　　脉冲式发动机的研究早在 1908 年就开始了，当时有人提出这样的构想但是没有实际生产。阿格斯公司在 1939 年开始独立进行脉冲式发动机的研究，并且取得了成果。
　　阿格斯脉冲式喷气发动机需要一个外接装置用来启动发动机，其构造实际上是一个类似于汽车火花塞的装置，位于发动机百叶窗式进气道后面 2.5英尺（0.76m）左右的位置；发动机前部有三个空气喷嘴连接着一个外置高压空气瓶，用来启动发动机；发动机发动时需要向发动机内充入空气/乙炔混合气体作为燃料；众所周知乙炔容易挥发，所以为了防止飞弹在发射前燃料泄漏，地勤人员常常喜欢用木板或者别的什么东西堵住发动机尾喷嘴，防止乙炔在发射前就挥发殆尽。
　　一旦脉冲式发动机发动起来，内部温度达到起飞最低要求后，外接空气软管和接口就可以被拔掉了。此时发动机特有的共振式设计会保证发动机持续工作，无需任何外部启动装置继续维持其运转。

上图详细描述了阿格斯脉冲喷气发动机最重要的部分——矩阵形叶片和燃油喷射器在地面启动时的工作原理。这两个部分位于发动机最前端，当压缩空气和燃料分别通过 1、2 的连接孔注入发动机；再通过安装在装配架 4 上喷嘴 3 注入燃烧室；弹簧钢制成的单向百叶 窗6 安装在专门的承载板5 上，其用途是允许空气进入燃烧室和燃料混合进行爆燃作用，但阻止空气从发动机前端冲出去

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　　通常认为 V-1 飞弹采用的阿格斯 AS.109-014 脉冲式喷气发动机需要在空速达到 150 英里/小时（240 公里/小时）的条件下才能正常工作。实际上由于其摄入空气专用的百叶窗进气口设计和共振式燃烧室，阿格斯 AS.109-014 发动机（又称共振式发动机）可以在零空速条件下工作。所以现存的很多关于 V-1 飞弹的纪录片中都有这样的特写镜头：飞弹发动机被点燃但尚未完全启动前就被弹射出发射架开始飞行。

AS.109-014 发动机结构极为简单

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　　但是仅仅靠脉冲式发动机自身动力是不足以推动飞弹离开地面飞行的，由于脉冲式发动机与生俱来的缺点——飞行速度慢、加速性能差，加上飞弹自身较小的机翼，V-1 飞弹具有极高的失速可能，换句话说 V-1 飞弹不能通过靠短距离滑行来起飞，因此要么通过弹射器弹射起飞，要么通过亨舍尔 He 111 轰炸机来进行空射。陆基 V-1 飞弹需要靠专用发射架弹射起飞。该发射架实际上是一段带坡度的滑轨+一个蒸汽弹射器，以过氧化氢-高锰酸钾混合液体作为燃料。其原理类似于航母的蒸汽弹射器：发射时飞弹底部与弹射器连在一起，过氧化氢-高锰酸钾反应产生的高压蒸汽推动弹射器-飞弹前进，最后飞弹靠惯性甩出发射架。陆基 V-1 飞弹起飞速度能达到 360 英里/小时（合 580 公里/小时）。

陆基 V-1 飞弹发射轨道

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　　从 1941 年1月起，V-1 飞弹使用的脉冲式发动机在其他武器平台上进行了测试，包括汽车、实验用高速攻击艇等，其中包括一种名为“龙卷风”的自杀式高速攻击艇——用一艘满载炸药的小型快艇高速冲向敌舰，而驾驶员则在撞向敌舰的最后一刻跳海逃生。“龙卷风”是一种双体式快艇，在横跨两艘快艇的横梁上安放了驾驶员的座舱。由于性能不达标加上行驶时噪音很大，最终人们放弃了在上面安装脉冲式发动机的想法，还是选择了传统的活塞式发动机动力快艇。至于首次飞行测试，那已经是 1941 年 6 月 30 日了，在 Gotha Go 145 教练机上首次进行了实验。

“龙卷风”双体式快艇模型