桑格尔和布莱特

晨枫

2019年国庆阅兵后，桑格尔弹道成为路人皆知的谈资，欧根·桑格尔的名字也从航天科研故纸堆里走入千家万户。


德国-捷克边境上的普莱斯尼茨是个漂亮的中欧小镇
* q9 E& q; m& `- j
. x  H2 N2 }. g# k7 D2 W欧根·桑格尔在1905年9月22日出生在奥匈帝国的普莱斯尼茨，现捷克境内。小镇在捷克和德国边境上，在卡罗维发利和德累斯顿中间，离边境只有10公里。现在一般把他算作奥地利人，或者德国人（他主要工作都是奥地利并入德国时代完成的，他也自认为德国人），但不算捷克人。
' a/ a4 @+ Z4 Z3 k
# w: _" h0 n# Q: Z: ^在20年代，他在奥地利的格拉茨和维也纳技术大学读土木工程期间，接触到赫尔曼·奥伯特的著作《火箭探空》，从此投身火箭研究。奥伯特是奥匈帝国的物理学家和工程师，1894年6月25日出生在特兰西瓦尼亚的赫尔曼斯塔特（现纳吉则本），位于现罗马尼亚西部。奥伯特受到法国科幻作家儒勒·凡尔纳的启示，在14岁就制作了第一个火箭，最终成为与齐奥尔科夫斯基和戈达德齐名的火箭先驱。他发明了多级火箭的概念，但由于条件限制，没法亲自实现。当然，多级火箭不是奥伯特一个人发明的，齐奥尔科夫斯基、戈达德等也在各不知晓的情况下独立发明。
3 @$ g8 {, Q& S+ \% f6 U1 q5 K

8 y6 s4 r5 ^' ?5 |4 A- r! e  f赫尔曼·奥伯特被誉为空间旅行之父，当然，有同样称呼的有好几个人，成功有多个父亲嘛

一战爆发后，在慕尼黑读医的奥伯特应征入伍，被派到东线的步兵营，后转到特兰西瓦尼亚的军医院。在那里，他继续自己的火箭研究。1917年，他向普鲁士战争部提交了射程达到290公里的火箭设计，但设想过于超前，不了了之了。
$ s. ~+ \; f2 U+ V
: u; S; e% U" H0 [在战后的1922年，奥伯特在哥廷根大学读博，研究以火箭推进的星际旅行，提交的论文被驳回，“太异想天开了”。1923年，他自费出版了自己的论文，以后又把这篇92页的论文扩充成429页的书《通向空间飞行之路》。这本书一方面在学术界引起很多争议，另一方面激励了很多人投身火箭研究，桑格尔就是其中一个。
5 a4 g6 ^! V' D- t- G5 w. f
# f1 r7 w; [# ?% V1 Q3 h; ^5 j但奥伯特拒绝重写一篇博士论文，就是要证明自己：“我没有博士头衔，也能干得比你们更好！”但在大萧条中，他只能在罗马尼亚的一个高中里教物理和数学，以此养家。在此期间，他帮电影里做火箭特技，并参加火箭竞赛，最出色的帮手就是18岁的维尔纳·冯·布劳恩，以后成为德国V-2火箭之父，并在60年代主持美国的阿波罗登月计划。奥伯特后来在战时德国和战后美国在布劳恩手下工作过，但布劳恩始终把奥伯特尊为领路人和导师。
* ^& D& z, \6 N+ N: z6 |7 `; P
回到桑格尔，他在投入火箭研究的同时，在1932年加入纳粹党和党卫军。希特勒要到1933年才出任德国总理，桑格尔并不是蹭热度才加入纳粹党和党卫军的。
# B' P" p# P8 w1 k. S& D7 Z

) u, S% H9 n, L+ z9 ?; p7 L5 B9 a尤金·桑格尔

桑格尔关于火箭的博士论文也被驳回，同样的理由：“太异想天开”。不少人对20-30年代的德国科技创新和领先崇拜有加，但奥伯特对德国高等教育体系深恶痛绝：“这像只装了朝后的车灯的汽车，对过去看得清清楚楚，但看未来还是一片昏暗。”不过桑格尔没有奥伯特那么倔，改写了以机翼桁架为题的论文，通过了。1933年他把自己的论文以《火箭飞行工程》为题出版，并出版了其他关于火箭的科技论文。

德国大学把桑格尔的论文驳回了，但德国航空部看上了他，把他招进“美国轰炸机”计划，这是要求从德国直飞美国的洲际轰炸机计划。希特勒早就在策划第二次世界大战，他很清楚美国一旦参战的影响，他需要一架能从欧洲起飞、直接轰炸美国并安全返航的超级轰炸机，这就是“美国轰炸机”。希特勒在动亚速尔群岛的脑筋，要以此为中继基地。亚速尔群岛是大西洋中间的一组岛屿，属于葡萄牙领土，二战时代的葡萄牙在右翼的萨拉札尔统治下，和西班牙的佛朗哥一样，属于亲德的中立国。但即使有亚速尔群岛可以歇脚，“美国轰炸机”依然需要11600公里的航程才能往返。

德国不是没有机会的。
  W4 \; R5 A9 p
* D2 T: Y: h8 R' c) m' o6 F2 l0 \1935年，德国空军建立，首任空军参谋长沃尔特·韦维尔中将积极鼓吹战略轰炸，但他与鼓吹轰炸平民、粉碎敌国意志的杜黑不同，他还是集中于军事目标：摧毁空军基地和飞机工厂，把敌人空军消灭在地上；用空中作战阻止敌人地面兵团的集结和运动；支援地面和海上的作战；摧毁敌人的军工工业，绞杀敌人的军事力量。他大力推动容克Ju-89、多尼尔Do-19等四发重轰炸机的研制，有些已经进入原型试飞了。

) U6 |4 K& O! k
( e' B9 t, R3 l' n3 K* N7 s二战德国实际投产的重轰炸机亨克尔He-177远远达不到“美国轰炸机”的要求
" ~, K' b. W  u& Q+ e; d) P3 H
8 G, P* w3 a! J) u  q7 y0 m& U6 I
梅塞施密特Me264已经开始试飞了，但还是差一把劲


% B1 e8 f3 k$ f; \8 f3 n桑格尔的“银鸟”要激进得多

( M  B. W1 U3 ]0 v: S
计划用火箭助推的导轨发射
: m0 s6 u6 t; x7 s2 v$ X0 }9 J
0 X$ S+ }& ~& v  [) Y  a2 T8 \9 E
如果研制成功，这将是比V-2火箭更震撼的奇迹武器

3 U1 R: `+ d/ _  t7 m6 T# @韦维尔在1936年空难中丧生，恩斯特·乌戴特上将和汉斯·耶修涅克上将继任。他俩主张“飞行炮兵”，改弦易张，德国转向中型轰炸机，如亨克尔He-111、多尼尔Do-17和容克Ju-88。这些速度更快的中型轰炸机在二战初期的闪电战中取得很大的成功，但在转入相持和战略轰炸机阶段，航程和载弹量就明显不足。
% z/ e& F% I9 {2 O9 e8 R
战时唯一堪称重型轰炸机的亨克尔He-177号称在1942年投入使用，但在早期实际上远远没有达到实战所需要的成熟程度，到了战争后期则饱受燃油紧缺之苦，很少出动了。“美国轰炸机”计划最后弄出几架原型机就不了了之了。
3 R. [! d- [! P& h8 L  J
3 k; \: x+ Q3 M( ?( t但德国还是需要奇迹武器，桑格尔异想天开的亚轨道轰炸机研制还在继续。德国航空部在不伦瑞克拨给他一个研究所设施，并造了一个液氧工厂和可以测试100吨推力的火箭试验台供他使用。冯·布劳恩对桑格尔的研究很不满意，认为这是重复投资，实际上是怕他抢了自己的风头。
& S# H6 n: d# R% Z/ i
冯·布劳恩的担心是有道理的。从1936年开始，桑格尔就在研究亚轨道飞行器的问题。他的设想是用火箭推动带滑橇起落架（比轮式起落架更轻，阻力更小）的空天飞机起飞，升空后用火箭动力爬升到亚轨道高度，然后在重返中，利用大气层内外的密度差打水漂。这就是桑格尔弹道的起源。
6 N" _4 h9 R; u( I9 R8 ?3 p6 _
桑格尔把自己的设计称为“银鸟”（Silbervogel），也称Rabo（Raketenbomber，火箭轰炸机），这是革命性的设计。在二战时代，航空动力还在从活塞式向喷气式过渡，后掠翼和超音速尚且是纸上谈兵的问题，可再入的载人亚轨道飞行无疑是科幻级的狂想。但桑格尔不是胡思乱想之辈，他的创意在于利用亚轨道高度没有空气阻力的特点，达到洲际轰炸的航程。这与冯·布劳恩的出发点是一样的，但后者的弹道导弹只能是一次性的，桑格尔的设计则是亚轨道轰炸机，有人驾驶，可反复使用。

: G8 N; `- ~! N- a/ L% F这将从3公里长的滑轨上起飞，在火箭助推的加速下，达到1930公里/小时的速度，升空后启动自己的火箭发动机，继续加速爬升到145公里的亚轨道高度，这时速度达到21800公里/小时，然后在重力的作用下缓缓自然下降，在进入同温层时，利用急剧增高的空气密度形成足够的水漂力再次弹出大气层，如此反复多次。每一次水漂都会因为空气阻力而“跃程”更短，但还是足够跨越大西洋，在美国大陆投弹，并继续跨越太平洋，飞抵日本占领的亚太地区降落。总航程要求达到19000-24000公里。要求采用推力高达100万吨的液体火箭发动机，可载弹4000公斤。

, s# s6 Z4 A& v+ A
! S7 O% V8 E7 o. U& I0 a桑格尔、布莱特在战后用地球仪在解释桑格尔弹道的问题

! o+ `- Z2 Z2 e' v0 k7 A在研究中，桑格尔得到爱琳·布莱特的协助，她是数学家和物理学家，25岁得到博士学位，才女一枚。30年代的德国博士的含金量不是现在可比的。两人在战后的1951年结婚，桑格尔已经46岁了，布莱特也40岁了，都是事业型的。两人有一个儿子。

桑格尔的设计太超前了，除了一些小尺寸的预研实验，项目下马。此后，桑格尔被调到德国滑翔飞行研究所，参加斯柯达-考伯Sk P.14冲压发动机截击机的研发。但桑格尔在“银鸟”设计中提出的升力体和燃料回热冷却在现在航天中广泛应用。

飞机用机翼产生升力，但在高超音速条件下，机翼的阻力太大，结构受力也太大。桑戈尔提出改用升力体。升力体用扁平的机体直接产生升力，阻力小，受力条件好，但低空低速性能很糟糕。桑格尔的“银鸟”不是纯粹的升力体，还是有一对短翼和倒立球门架式尾翼，以做补偿。升力体在战后得到更加充分的研究，X-20 Dyna-Soar（直译为动态飞翔）、航天飞机的升力体设计都是受到桑格尔的影响。
) f9 s% j, Z9 y9 Z8 q9 J% ^

  y' _' \5 K) h& E" H! Q8 V0 ?X-20是50年代后期美国空军与NASA联合进行的载人空间重返研究项目

: c( r' O  |2 F5 d; Q+ n: N' B2 p
# x2 s# b0 P- U! d航天飞机的升力体设计也可溯源到桑格尔的“银鸟”
. I3 O2 u$ L  z9 m0 d' m' b- ?9 `

& d% O4 X) q" vX-37B也是如此
9 x1 @: o7 ^6 d, k) u2 w
5 D. v( A* L: X$ @如果说升力体并不是桑格尔发明的，他只是第一个认真应用的，那燃料回热冷却则是他发明的。火箭发动机的一大难题是喷口的耐高温问题，长时间工作甚至反复使用而不造成结构软化需要不可思议的散热和重量。桑格尔提出使得液体燃料首先流经喷口结构，一面吸收热量，帮助喷口冷却，一面受热升压，在喷入燃烧室的时候迅速气化，改善燃烧。这一技术为现代所有液体燃料火箭使用，也成为高超音速必须的超燃冲压的关键技术。

% `8 P2 k* u3 ?不过在战后空间重返的科研和试验中，发现桑格尔和布莱特的设计过于乐观。经过复核计算发现，他们有一个计算错误，返回的热负荷将大大超过桑格尔和布莱特的估计。“银鸟”要是不下马，第一次重返就会被烧毁。增加热防护可以解决问题，但要进一步削减有效负荷，降低实战价值。
' Q. R+ ?$ o3 Y* g
1 e# r  [  {/ R- W$ g% {% {3 _
“银鸟”下马后，桑格尔调任研制Skoda-Kauba Sk P.14冲压动力截击机

  U" G  N! m( F) q4 Q: T& [1942年，“银鸟”项目取消，桑格尔被调到德国滑翔技术研究所，研究冲压发动机，推进的Skoda-Kauba Sk P.14截击机。在外观上，这有点像Me 162“流星”火箭动力截击机，但是采用冲压发动机。发动机直径1.5米，长9.5米，整个飞机是围绕发动机设计的。为了减少飞机的直径，飞行员是卧姿操纵的。飞机采用可收放的滑轨起落架，起飞时坐落在轮式小车上，用火箭助推起飞，升空后抛弃小车。Skoda-Kauba Sk P.14最后也下马了，但桑格尔在德国滑翔技术研究所一直到战争结束，布莱特也和他在一起。
; R) o  f. G/ T' N
战后桑格尔和布莱特为法国工作，在1949年建立了Federation Astronautique。1951年，世界宇航学会成立，桑格尔成为第一任主席。1954年，桑格尔回到德国，1957年出任斯图加特喷气推进研究所主任，1961-63年成为容克飞机公司的顾问，继续冲压动力宇航飞机的研究，当然，这是纯理论的。他还在这一期间提出光子作为星际旅行的动力，以后成为激光推进和太阳帆的理论基础。1964年，桑格尔在柏林去世。

斯大林在战后听到“银鸟”计划，很感兴趣。斯大林对美苏争霸成为新的焦点很清楚，一旦战争爆发，苏联也有轰炸美国的技术难题。苏联一方面着手常规轰炸机的研制，另一方面也需要“银鸟”这样的奇迹武器。斯大林派儿子瓦西里和科学家格里高利·托卡蒂到法国，劝说桑格尔到苏联去，桑格尔不为所动。瓦西里是苏联空军飞行员，但在战时没有多少建树。托卡蒂则是苏联的火箭科学，长期领导茹科夫斯基航空学院和莫斯科理工学院的火箭研究。据说斯大林甚至命令内务部的贝利亚秘密绑架桑格尔，当然后来不了了之了。
5 `  Y, i5 g3 `& O" Z/ I6 \
不过苏联的米斯迪斯拉夫·凯尔蒂什确实在1946年组建研究所，跟着桑格尔的思路继续研究，不过用冲压发动机而不是火箭发动机，史称“凯尔蒂什轰炸机”，但都没有成果，以后改而研发巡航导弹，也无果而终。

; j/ c4 ]7 i" E# v: M美国用泰坦II火箭发射X-20 Dyna-Soar，获得部分成功，但侦察卫星发展起来后，美国空军撤出载人航天，计划中止。航天飞机是后话了。

5 i# a4 I/ n$ ^. [9 S- W& \
布莱特从来就巾帼不让须眉

( v; ~( i8 Y; X3 l# m$ K- P. K
+ g0 b9 P0 ^: n. l0 \她从桑格尔工作上的合作伙伴最后变为生活上的伴侣

6 p6 x: x) J& i布莱特在1936年获得博士学位时才25岁，这是才女一枚，论文稀是土元素的X射线，但后来从事的是物理学和数学。她先为航空研究中心工作，然后成为桑格尔的助手，转入液体火箭发动机的热力学和气动研究，1941年成为火箭研究所的物理学部主任的时候才30岁。1942年，布莱特成为德国滑翔飞行研究所的第一助理，这是职称比职责低调的年代，她实际上具有相当高的技术领导地位。
, l3 k6 w! m& p
战后的1945年，布莱特搬到巴黎，在Arsenal de l’Aeronautique（后为SNECMA，现名赛峰）继续以前的研究，同时成为马特拉宇航的顾问，还兼任印度马德拉斯理工学院的顾问。1951年，布莱特与桑格尔结婚，更名桑格尔-布莱特。1954年，生了儿子后，回到德国，成为喷气推进研究所副所长。

$ [2 m- r6 p/ t, B) g2 f& a% }布莱特是国际宇航学会创始成员之一，也是创汇成员中唯一的女子。她在1963年成为容克、Bolkow（后MBB，现为空客的一部分）的空间顾问，1983年死于斯图加特。

- Q3 i4 G- Q8 O  Q1 f在严谨古板的德国，看来真是男女搭配、干活不累呢。迪特里希·库奇曼和乔安娜·韦伯没有结婚，是终身挚友，库奇曼是空气动力学家，韦伯是数学家，又是一对博士，他俩在空气动力学方面的成就奠定了“协和”式的成功基础。中国的理工科女博士别灰心，中国正在大量涌现自己的桑格尔和库奇曼，急切需要男女搭配、干活不累的搭档呢。
- M  i1 V7 F( J  b- B3 ?: e

方恨少

我就是来给最后一句话点赞的

数值分析

看开头以为是航天,
看中间以为是开车,
看结尾才知道是虐狗...

xiejin77

晨大辛苦，写文不易。
8 S5 M- r- u# A但是100万吨推力大约是笔误吧

晨枫

xiejin77 发表于 2020-10-15 08:07
晨大辛苦，写文不易。
但是100万吨推力大约是笔误吧

" s; Z  Z$ d7 @% ~' Q不是。查一查阿波罗的土星5的推力吧，银鸟的起飞重量比宇宙飞船更大

pcb

数值分析 发表于 2020-10-15 18:38
看开头以为是航天,
# g. ~) s4 `$ k4 ]9 ]% R看中间以为是开车,
, v( a! \8 X( }: [% O看结尾才知道是虐狗...

赞有狗可虐