源自二战！美国标准防空反导导弹的诞生
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小火箭出品
本文作者：邢强博士
本文共4986字，41图。预计阅读时间：20分钟。
本文是小火箭经典导弹与运载火箭系列文章第5季的开篇。在本季，小火箭将以美国标准系列防空反导导弹为研究对象，分别从标准系列导弹的诞生、关键技术和试验情况等方面入手，努力讲述标准-1、标准-2、标准-3、标准-4和最新的标准-6导弹的设计细节。
2017年8月29日，游弋在夏威夷海域的美国海军宙斯盾级驱逐舰“保罗-琼斯”号接连发射了两枚标准-6导弹，成功拦截了一枚从考艾岛发射的中程弹道导弹靶弹。
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这是2017年8月29日的拦截试验中，标准-6导弹发射的视频（多角度+慢镜头）。
2013年9月18日，美国海军在夏威夷附近使用标准-3导弹成功拦截了一枚头体分离式弹道导弹。那次拦截试验，在当年，号称是“史上最难的反导试验”。
自1967年标准-1开始服役以来，标准系列导弹刚好走过了整整50年的时间，衍生出近20个型号，产量已在向3万枚大关迈进，成为了世界海军装备数量最多的舰载防空反导导弹。
标准导弹家族，小火箭摄于2017年夏季，雷声公司展示大厅门口。
这种服役久、型号多、产量大的装备至今仍具有旺盛的生命力，甚至被很多国家和地区奉为“明星产品”。到底是怎样的契机催生出这样的一款导弹，又是怎样的发展模式让标准系列导弹成长为了一个庞大的家族的呢？
大黄蜂
这一切，要从大黄蜂计划开始说起了。
标准系列导弹的诞生故事要追溯到第二次世界大战期间。日本对珍珠港的偷袭使美国和日本爆发了太平洋战争。在这场战争中，日本“神风特攻队”的自杀式袭击令美国人头痛不已。
1945年5月11日，美国海军碉堡山号航空母舰先后被两架自杀飞机击中，引发大火，不得已退出战斗序列，返回珍珠港大修。冲绳作战期间，美军舰队已提高警戒，但仍有漏网之鱼。日军自杀飞机非常善于利用云层及阳光掩护，避过美军雷达及瞭望，使美军往往要到攻击前一刻，才惊觉大难临头。
碉堡山号（有些地方直接音译为邦克山号）航空母舰，虽然名字碉堡了，而且在二战期间经历了包括马里亚纳海战、菲律宾海海战等大大小小多场战斗，但是面对自杀式飞机的攻击，仍显得手足无措。
二战的经验教训使得美国海军迫切地想要一种比舰上的高射机枪更为有效的舰队防空武器，“大黄蜂计划”应运而生。
以当时的科技水平来看，这个计划有着近乎疯狂的战术技术指标：
要尽快研制出一款或多款能在军舰上发射、以冲压发动机为动力、以波束制导方式飞行并能在超声速的飞行状态下稳定弹体姿态的防空导弹。
指标要求导弹的飞行速度不小于563.88米/秒（约为海平面声速的1.66倍），最大射程大于18.2公里，最大拦截高度不低于9144米，而导弹的重量要控制在907公斤以下。
这是一个导弹刚刚问世不久的年代，投入批量生产并用于实战的导弹型号屈指可数。
能够进行超声速飞行的V-2导弹给“大黄蜂计划”的可行性提供了一些参考，但是量V-2导弹发射重量 12.5吨，全长14米，直径1.65米，弹翼翼展3.56米。
把这样的大家伙搬到军舰上，而且是要拥有多枚导弹的发射能力，这是不太现实的。
实际上，正是这看似疯狂的“大黄蜂计划”为美国战术导弹体系夯实了基础。
上图为带有美国陆军航空队的P-38战斗机的原型机YP-38正在兰利实验室的全尺寸风洞中进行测试。
YP-38的尾部有比较严重的振颤问题。在飞行达到0.68马赫时，如果飞机做俯冲机动的话，YP-38的尾部会开始剧烈振动并且导致机头有强烈地下坠趋势。
大量的风洞试验和试飞测试将P-38的问题解决了，终成一代名机（最著名的战例莫过于击落山本五十六的那次了）。
但是，二战期间，美国科研体系的风洞依然是以为战斗机服务为核心的，大多是亚声速风洞。
实际上，在大黄蜂计划实施初期，美国只有3个超声速风洞，而且这些风洞的尺寸无法满足舰空导弹的试验要求。
约翰霍普金斯大学领导的技术攻关小组主动承担起了研制大型超声速风洞的任务，到该计划完成之时，美国已经建立起了十几个大规模超音速风洞。
作为美国科研经费最多的大学，约翰霍普金斯大学对速度的追求是疯狂的。早在1944年，二战尚未结束的时候，该大学就研制出了世界上第一台超声速冲压发动机。
二战结束后，该大学从美国军方那里要来了数枚德国生产的V-2导弹，把摄像机放到该导弹头部并发射后，他们获得了人类第一张从太空拍摄到地球表面圆弧的照片。
战术导弹空气动力学在这个时期得到了系统化的发展，人们对导弹空气动力学的认识从线性阶段跃升到了非线性阶段。
1959年“黄铜骑士”导弹终于完成了研制。这款以冲压发动机为动力的导弹是“大黄蜂计划”的“正统产品”。
1968年5月23日，美国海军核动力巡洋舰长滩号（世界上第一艘核动力水面舰艇）发射2枚黄铜骑士导弹击落了一架120公里外的米格-21战斗机。
这是人类战争史上，舰载防空导弹第一次击落战斗机。
但是黄铜骑士导弹的发射重量为3.175吨，实在是太重了，而且大推力冲压发动机技术复杂，维护保障的要求太高了。该导弹只陆续装备了7艘巡洋舰就销声匿迹了。
而我们本文的主人公“标准”系列导弹则是这个计划的副产品。
黄铜骑士导弹的细节，小火箭会另写文介绍，本文把时间再调回到上世纪50年代，看看标准导弹的时间线吧。
在“大黄蜂计划”实施期间，朝鲜战争爆发了，美国海军亟需一种能够马上投向战场的舰空导弹。
而此时距离黄铜骑士导弹问世还有4年的时间，一些有关冲压发动机的研究还处于基础理论阶段。
美国海军和霍普金斯大学不得已只能用技术成熟的固体火箭发动机来取代冲压发动机，发展出了“小猎犬”和“鞑靼人”两款导弹。
谁能想到，这个无奈之举竟然最终锻造出了“标准”系列导弹！上图为美国海军佩里级护卫舰正在发射一枚鞑靼人导弹。
“小猎犬”导弹出现不久就立刻获得了升级。“高级小猎犬”导弹问世了。
该导弹采用了展弦比非常小的鳍状弹翼，体现了那个年代对非线性空气动力学的研究成果。这一气动外形一直沿用到了今天。
“鞑靼人”导弹可以视作是不带助推器的“高级小猎犬”导弹。
她与“高级小猎犬”的外形几乎完全相同，实际上它们的内部结构也差不多，有85%的零部件可以在这两款导弹之间通用。这两个型号共同构成了标准系列导弹的前身。
1957年，苏联将人类第一颗人造地球卫星送入了太空。这一里程碑式的事件对于各国战术导弹的设计团队来说却称不上是个好消息。
美国和苏联对太空制高点的争夺战拉开帷幕。大量资源被投入到侦察卫星、远程导弹等战略武器的研发上。
从此，战术导弹空气动力学、有翼导弹飞行动力学等学科的发展进入低谷期。（详见小火箭公号文章《从美国最早的洲际弹道导弹看项目管理》）
不过，这个不利环境没有难住战术导弹的研究者。
他们认为，当时对战术导弹气动布局的研究已取得了相当多的成果，各种试验也做得比较充分了（仅“小猎犬”导弹就在密西西比号试验舰上进行了400多次发射试验）。
他们决定保留之前的弹体气动布局的设计，而将有限的资源用在提升导弹可靠性和内部元件的技术水平方面。
“大黄蜂计划”所取得的空气动力学方面的研究成果将直接应用在即将推出的新型导弹上。
标准
这种将已有的成熟技术固化为技术标准而将主要精力用于钻研关键技术的设计理念大大缩短了研发周期并降低了研制成本和研制风险。
“标准”系列导弹干脆就以这种设计理念为名称了。
1964年12月，“标准”系列导弹的最早型号——标准-1开始进入研制阶段。说是研制，实际上是对已有的“高级小猎犬”导弹和“鞑靼人”导弹进行改进。
从外形上看，标准-1导弹与“高级小猎犬”导弹和“鞑靼人”导弹几乎没有差别。
但是它采用的自适应自动驾驶仪、全新的电传操纵系统、固态电子电路和通用发射架设计这四个创新点使其立刻成为了海军的宠儿。
防空导弹自动驾驶仪的设计有一个难点，那就是这种导弹的作战高度和作战速度变化巨大。
从海平面（或地平面）到最大作战高度，大气层的密度、温度差别明显，而导弹的速度则从0迅速增加到声速的2倍以上，作用在导弹上的气动力复杂多变。
为了命中目标，导弹需要在所有高度和速度条件下都要有良好的稳定性和可操纵性。
标准-1导弹的前辈们（如“鞑靼人”导弹）是这样解决这个问题的：用导弹的头锥内的传感器，实时估计导弹的飞行速度并辨识大气数据，根据这些数据来实时调整导弹的控制参数。
这无疑增加了导弹的载荷和成本，而这些探测器又十分不可靠，成为了使导弹偏离目标的一大误差来源。
而标准-1导弹的解决方案则是独创性的，它采用了世界上首台自适应自动驾驶仪。
所谓自适应就是说导弹能够在不依赖外部探测器的前提下根据不同的飞行状态自动调整控制参数来使自身始终有着良好的飞行性能。
这使标准-1导弹省掉了复杂的外部探测器，也避免了由于探测器失效而带来的制导误差。
标准-1导弹用直流电机来控制舵面的偏转，省去了沉重的液压系统同时提高了舵面的响应速度。
该电机总是以其所能达到的最高转速来进行工作（这种工作方式被称为“Bang-Bang控制”，体现了上世纪60年代的最优控制理论的研究成果，如今已经广泛应用在了多种工业控制领域），为此设计师们为它设计了专门的继电器。
标准-1导弹是世界上首枚采用专用继电器进行控制的导弹。
说起继电器和舵面，标准系列导弹从前辈的经验中，也学到了不少标准化的东西。比如标准导弹的舵面长上图那个样子。
再看她的老前辈，黄铜骑士导弹的舵面（位于弹体中部，为旋转弹翼式布局），长得是不是很像？
黄铜骑士导弹的这种前缘后掠68.0°，后缘前掠71.5°的舵面设计也被标准化，并且融到了标准系列导弹的基因中。
固态电子电路是那个年代的电子工业发展的成果。
比起“高级小猎犬”导弹和“鞑靼人”导弹上面的用焊锡连接的电路，标准-1导弹的控制电路的体积减小了50%，并最终让导弹减重45公斤，可靠性则至少提升了50%。
通用发射架实际上是“标准化”设计思路的一种拓展。从标准-1导弹开始，中小型舰艇也能装备舰空导弹了。
标准-1舰空导弹、“鱼叉”反舰导弹和“阿斯洛克”反潜火箭可以由同一个发射架来进行发射，导弹的选取、装填和发射的全过程都是自动进行的。
另外，原本用来发射“小猎犬”导弹和“鞑靼人”导弹的发射架只需稍加改装就能发射标准-1导弹（这个特性使得原来的用户几乎没有继续使用那些陈旧导弹的理由了）。
标准-1导弹继承了之前型号的气动外形和发射指挥系统，研制成本大幅降低，而改进后的效果却非常好。
没有高压气体和液压油的标准-1导弹在长期储存后也不会出现漏气和漏液的情况。
大多数舰艇都不需要携带标准-1导弹的检修设备，因为这种导弹只要每隔3到5年做一次常规检测就可以了。
标准-1导弹长4.72米，直径340毫米，翼展1.07米。
其基本型最大射程为74公里，最大射高为2.4万米。
最大飞行速度为Ma 3.5。
加装固体助推器的标准-1增程型导弹，长度达到了8米，最大射程超过185公里。
改进型标准导弹在1980年的一次拦截无人机的测试。
被标准导弹击中的无人机叫火蜂。
在历史上，火蜂无人机跟我国实在是有着太多故事。
一架C-130运输机的一侧机翼下面挂载了两架火蜂无人机，摄于1975年7月29日。
标准-1导弹体现了“保留过去型号的优良品质，集中力量进行关键突破”的设计思路的成功。
标准-1导弹共生产了5000多枚，在美国，该型导弹已经退役。
上图为一枚标准-1型导弹（具体为标准-1中程弹 Block V）在美国海军试验舰诺顿海峡号上面试射。
摄于1983年3月15日距离加利福尼亚州海岸线不远的太平洋上。
该舰是著名的试验舰，美国宙斯盾系统的诞生与升级与该舰有着千丝万缕的联系。
该舰尾部有一座双联装标准导弹发射架。
仔细上上面的照片，我们甚至还能找到用于宙斯盾系统的相控阵雷达。
不过在标准-1的最终改进型SM-1MR Block VI，在其他国家或地区的海军中，预计会服役到2020年。
上图为西班牙海军的卡纳里亚斯号护卫舰正在发射一枚标准-1防空导弹。
缘起于战争情况下的仓促选择，萌生于设计师对导弹空气动力学的充分自信，成长在电子元器件和最优控制理论飞速发展的时代，标准-1导弹就这样诞生了。
再往后，标准-2导弹亮相，标准系列的家族扩张之旅正式开启。
作为未来海上防空反导体系攻防的主要对手，我们对标准系列导弹的认识当然不应当停留在其刚刚诞生的阶段，在后续文章中，小火箭对标准系列导弹的介绍将持续进行。感谢大家！
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