עקב רמת הדיוק הנמוכה של נקודת פגיעתו, הוא הופנה בדרך כלל נגד ערים ולא מטרות צבאיות. בסך הכל יוצרו כ־3,000 טילים שהרגו כ־7,250 אזרחים וחיילים. במהלך ייצור הטיל נהרגו כ־20,000 עובדי כפייה (חלקם שבויי מלחמה) שאולצו לעבוד בתנאים קשים במיוחד במתקני הייצור התת־קרקעיים.
פרטים טכניים
מבנה ה־V-2
טיל ה־V-2 היה באורך של 14 מטרים, בעל טווח של כ־300 קילומטרים ונשא ראש נפץ במשקל של עד 1,000 ק"ג. הטיל הונע בדלק נוזלי שהיה תערובת של 74% אתנול ו־26% מים (B-stoff), אליה הוזרם חמצן נוזלי כמחמצן. משאבות הדלק והמחמצן הונעו על ידי טורבינות קיטור, שנוצר באמצעות מי חמצן וקטליזטור מסוג נתרן פרמנגנט. מכלי הדלק והחמצן היו עשויים אלומיניום כדי להקטין את משקל הטיל, אף על פי שהיה מחסור בה באותה העת בגרמניה. הטיל הורכב מ־30 אלף חלקים נפרדים והאורך הכולל של החיווט עלה על 35 קילומטרים.
תא הבעירה של הטיל צופה בחומרים קרמיים מיוחדים שאפשרו לו להגיע לטמפרטורות של 2,500-2,700 מעלות צלזיוס בלי להיהרס. הדלק הנוזלי נשאב לאורך דופן כפולה של תא הבעירה באמצעות משאבה וכך הושג חימום הדלק וקירור תא הבעירה. הדלק הוזרק לתא הבעירה הראשי דרך 1,224 נקבים, אשר תוכננו כך שיבטיחו את הריכוז הנכון של אלכוהול וחמצן לאורך כל זמן הבעירה. כדי לקרר את המנוע נעשה שימוש גם בשיטת ה־Film cooling - חורים קטנים בתא הבעירה אפשרו גם לכמות מסוימת של אלכוהול להיכנס ישירות לתוך תא הבעירה, וליצור שכבת גבול מקוררת שהגנה על דופן תא הבעירה, במיוחד בצוואר בו תא הבעירה היה הצר ביותר (נראה באיור תחת הכותרת "כניסת כוהל"). נחיר דה־לאוואל במוצא תא הבעירה שצורתו תוכננה היטב שימש כדי להמיר בין אנרגיית הבעירה שהשתחררה לאנרגיה קינטית של הסילון בנצילות מרבית. האלכוהול שבשכבת הגבול ניצת מיד במגע עם האטמוספירה, מה שגרם ללהבה תמידית בסילון הטיל.
מרגע שיגורו, הטיל האיץ במשך 65 שניות, ומנגנון בעל תוכנית מוגדרת מראש שלט בזווית הנטייה של הטיל עד הגעה לנטייה שהוגדרה מראש ברגע כיבוי המנוע, שאחריו הטיל המשיך במסלול בליסטי (נפילה חופשית). חישובים מתמטיים הראו שהטווח המקסימלי עבור מהירות נתונה ברגע כיבוי המנוע של טיל זה מתקבל עבור זווית נטייה של 49 מעלות ביחס לציר האנכי[2] (41 מעלות ביחס לאופק), על כן הגעה לזווית הנטייה המדויקת הזאת ברגע כיבוי המנוע הייתה קו מנחה מרכזי בתהליך התכנון.
ה־V-2 נשלט באמצעות וריאנט של שיטת הניהוג הווקטורי - ארבעה משטחי ניהוג עשויי גרפיט שעמדו בדרכו של הסילון הנפלט מהטיל שימשו לניהוגו בחלל, היכן שהאטמוספירה הדלילה אינה מאפשרת ניהוג אווירודינמי אפקטיבי. באמצעות הטיית מסטי הסילון (משטחי הניהוג), הוטה הסילון הנפלט מרקטת ההנעה לכיוונים שונים - כך נוצר כוח דחף שאינו פועל לאורך ציר הטיל בלבד.
מערכת ההנחיה של הטיל, ה־LEV-3 (והגרסה המתקדמת שלה בשם SG-66 ששימשה בדגמים המאוחרים יותר), הייתה מערכת ניווט אינרציאלית הראשונה בעולם - מערכת העושה שימוש בניווט לפי חישוב עיוור ללא נקודת ייחוס חיצונית, והורכבה ממספר גירוסקופים למדידת התאוצה הקווית של הטיל, ומספר נוספים למדידת התאוצה הזוויתית של הטיל בכל אחד מן הצירים. מד תאוצה PIGA שימש לשליטה על רגע כיבוי המנוע. הטיל שוגר מנקודה שמיקומה נמדד מראש כך שהמרחק והאזימוט למטרה היו ידועים.
מספר דגמים מאוחרים של ה־V-2 עשו שימוש ב"אלומות מנחות", אותות רדיו שמשודרים מהקרקע כדי לשמור על הטיל במסלול הנכון, אך הדגמים הראשונים נעזרו במחשב אנלוגי פשוט שהיה "מרכז הבקרה" של הטיל. המחשב האנלוגי קיבל את המידע על מיקום ומהירות הטיל מן הגירוסקופים ותיקן את אזימוט מהירות הטיל כל העת (באותם ימים טכנולוגיית הניהוג הווקטורי לא הייתה מדויקת מספיק ועל אף שהאזימוט למטרה היה ידוע, נדרשה בקרה מתמדת על כיוון תנועת הטיל).
ראש הקרב היה מקור אחר לבעיות טכניות. חומר הנפץ בו עשו שימוש היה אמטול 60/40 המפוצץ על ידי מרעום מגע חשמלי. לאמטול היה היתרון של יציבות ובנוסף ראש הקרב הוגן על ידי שכבה עבה של פיברגלס, אבל גם כך הוא עדיין היה עשוי להתפוצץ במהלך החדירה לאטמוספירה. ראש הקרב שקל 975 קילוגרם והכיל 910 קילוגרם של חומר נפץ. האחוז לפי משקל של חומר הנפץ בראש הקרב היה 93%, אחוז גבוה מאוד בהשוואה לסוגים אחרים של תחמושת.
במהלך מסלול הנפילה הבליסטית של הטיל מהירותו עלתה בהדרגה והגיעה עד ל־5 מאך זאת בשונה מהטיל V-1 שמהירותו הייתה תת־קולית. מאפייני טיסתו ומהירותו לא אפשרו את גילויו באמצעות מכ"ם וגם אילו היה מתאפשר גילויו לא היו לבעלות הברית אמצעים ליירוטו. לפיכך אמצעי הסיכול היחיד כנגד הטיל היה פגיעה באתרי השיגור שלו (אתרי הייצור היו תת־קרקעיים ולכן לא התאפשרה פגיעה בהם).
באופן אבסורדי, למהירותו העל-קולית של הטיל הייתה השפעה פסיכולוגית חיובית, וזאת מאחר שהטיל לא השמיע את השריקה קודם לנפילתו (כמו שנשמעה טרם נפילת טילי ה־V-1) שיצרה חרדה באוכלוסיית הערים שהופצצו בתקופת המלחמה.
מראשוני חלוצי הטילים המודרניים היה האמריקני רוברט גודרד, אשר נזקפת לזכותו המצאת ובניית רקטת הדלק הנוזלי הראשונה בעולם, אותה שיגר בהצלחה ב־16 במרץ 1926. גודרד והצוות שפעל בהנחייתו שיגרו 34 רקטות בין 1926 ו־1941, ובאחד השיגורים השיג גובה שיא של 2.6 קילומטרים ומהירויות של עד ל־885 קמ"ש. המונוגרפיה שלו משנת 1919 - "על שיטה להגעה לגבהים קיצוניים"[3], נחשבת לאחד הטקסטים הקלאסיים של הטילאות במאה ה־20. בחיבורו זה, גודרד ניסח כמה מעקרונות היסוד של הטיל המודרני; כמו השימוש בגירוסקופ ובהנעה וקטורית. בחיבור גודרד תיאר ניסויים רבים שערך ברקטות דלק מוצק הפועלות על בסיס אבק שרפה נטול עשן. פריצת דרך קריטית הייתה הרעיון להשתמש בנחיר פליטה שהומצא קודם על ידי הממציא השוודי גוסטב דה לאוול. השימוש בנחיר דה לאוול מאפשר את ההמרה היעילה ביותר של אנרגיית חום של גזים לוהטים לתנועה קדימה. גודרד יישם בהצלחה את השימוש בנחיר הזה, והצליח להגדיל את הנצילות של הרקטות שלו מ־2% ל־64%, ולהשיג מהירויות פליטת גזים של מעל מאך 7. במרץ 1935, גודרד יישם בהצלחה את העקרונות של שימוש בגירוסקופים ובניהוג ווקטורי והצליח לשלב תוכנית הטיה (tilt program) באחת מהרקטות שלו, וכך הרקטה ששוגרה הצליחה לעבור מטיסה אנכית לחלוטין לטיסה אופקית לחלוטין, ונחתה לבסוף במרחק של מעט יותר מ־3 קילומטרים מנקודת השיגור. הצלחה זו המחישה את האפקטיביות של השימוש במערך גירוסקופים כדי לשלוט במסלול הרקטה, ושימשה השראה לכמה מהתכנונים הרקטיים הראשונים של חלוצי הרקטות הגרמנים.
באופן עתידני מאוד, גודרד ניבא גם כמה מההיבטים המרכזיים של המסע המודרני בחלל, כגון השימוש באנרגיה סולארית כאמצעי חלופי להנעה, והשימוש במגן חום מתכלה (Ablative heat shield) - אשר במילותיו של גודרד עצמו: "מתוכנן כשכבה מבודדת תרמית שמטרתה להתכלות בחדירה לאטמוספירה, בדיוק כמו פני השטח של מטאור החודר לאטמוספירה". גודרד אף ניבא במובן מסוים את השימוש בהנעה יונית (High-velocity ion propulsion).
דמות חשובה נוספת בפיתוח המוקדם של רקטות הייתה הרמן אוברט הגרמני. בהשפעת ספריו ורעיונותיו של הסופר הצרפתי ז'ול ורן על מסע לירח, אוברט כתב ב־1923 את ספרו "ברקטה אל החלל הבין כוכבי" שהפך גם הוא לאבן פינה בספרות המודרנית על טילים, והצית את דמיונו של ורנר פון בראון. ב־1927 הקים אוברט הקים את "החברה למסעות בחלל" במטרה לקדם מחקר תאורטי ומעשי על הנעה רקטית. הרעיון של רקטות כמושא מחקר, כמו גם הרעיון של שליטה מרחוק (Remote control) בכלי טיס, היו מוקדי התעניינות מרכזיים בקרב גופים צבאיים ואקדמיים שונים בגרמניה במהלך כמה העשורים שקדמו למלחמת העולם השנייה, והקמת הגוף הזה התניעה אף יותר את שיתוף הפעולה במחקר על הנעה רקטית.
חשיבותו של אוברט לא הייתה רק ארגונית, אלא שהוא ערך מספר ניסויים חשובים ברקטות והסיק מהן מסקנות שהיו חשובות לתכנון ה־V-2. במהלך הניסויים שלו ברקטות דלק נוזלי, אוברט הבחין שתהליך ה"אטומיזציה" (כלומר שטיפות הדלק מתחלקות לטיפות קטנות יותר ויותר), או "השמדה עצמית" (Self-destruction) של טיפות הדלק הבוערות מוביל לבעירה מהירה יותר. תופעה זו נובעת מכך שככל שהטיפות קטנות נוצר שטח מגע גדול יותר בין המחמצן וחומר הדלק, מה שמוביל לבעירה מהירה יותר. תגלית זו אפשרה את התכנון של תאי בעירה יעילים יותר מקודם, והיא מרכזית לתכנון מנגנוני הזרקה (Injectors) יעילים בטילים.
היסטוריית פיתוח: תיאור כללי
במלחמת העולם הראשונה, מדינות רבות עשו שימוש ברקטות עם דלק מוצק ולכן בהתאם להסכם ורסאי, נאסר על גרמניה לפתח ולייצר טילים מסוג זה. עם זאת, טילים עם דלק נוזלי כלל לא הוזכרו בהסכם. בסוף שנת 1929, נתן שר הביטחון הגרמני הוראה לבדיקת אפשרות השימוש בטילים לצורך מטרות צבאיות ובשנת 1932 הוקמה תחנה ניסויית עבור טילים עם דלק נוזלי בקומרסדורף שליד ברלין. קולונל וולטר דורנברגר חזה בהדגמה של רקטה ניסויית שפותחה על ידי מהנדס גרמני צעיר בשם וורנר פון בראון, ואף על פי שיכולותיה היו די מוגבלות, התרשם והציע לפון בראון להמשיך את הפיתוח תחת הנהלה צבאית.
פון בראון הסכים להצעה ובשנת 1934 הושגה הצלחה בשיגור טיל A-2 – דגם לא גדול המונע על ידי אתנול וחמצן נוזלי. אף על פי שבאותו הזמן כבר היו קיימות מספר אפשרויות לתערובות של דלקים ומחמצנים, העדיפו אנשי הצבא הגרמנים את השימוש באתנול עקב המחסור התמידי במוצרי נפט בגרמניה. האתנול, לעומת זאת, היה מצוי בשפע והגרמנים עשו בו שימוש לאורך כל מלחמת העולם השנייה.
לאחר ההצלחה עם טיל A-2, החלה הקבוצה של פון בראון לפתח את הטילים A-3 ו־A-4 (לימים V-2). את עיקר שיפור היכולות המבצעיות של הטיל ניתן ליחס לעבודות השדרוג שבוצעו במנוע על ידי המהנדס וולטר טיל, ולהבשלה של הידע התאורטי שנצבר על ההתנהגות האווירודינמית של גופים על קוליים (דגם ה־A-3 שפותח קודם נדחה עקב אי־יציבות אווירודינמית שהפגין בניסויים שונים). כדי לבחון את ההתנהגות האווירודינמית של הטיל, נבנו בין 1936 ו־1939 במעבדות הפיתוח שלו כמה ממנהרות הרוח העל־קוליות הראשונות בהיסטוריה, שהותאמו במיוחד לחקר ההתנהגות האווירודינמית של עצמים הנעים במהירויות גבוהות בהרבה (על קוליות עד היפר קוליות) מכל מה שתוכנן עד אז.
לקראת סוף 1941, מרכז המחקר הצבאי בפנמינדה אחז בטכנולוגיות החיוניות להצלחה של ה־V-2. ארבע טכנולוגיות המפתח להצלחת הטיל היו:
אווירודינמיקהעל קולית (מאחורי עיצוב הטיל עמד מחקר תאורטי רב; בפרט על ההבדלים בהתנהגות האווירודינמית של גופים הנעים במהירות על קולית לזו שבו שבמהירות תת־קולית).
עם השגת הטכנולוגיות הנחוצות לבניית הטיל, שני אתגרים טכנולוגיים הכתיבו את אופי התכנון של הדגמים הראשונים של הטילים: הצורך בדיוק והצורך בייצור המוני של הטיל. הצורך הראשון היה האתגר המרכזי בפניו ניצבו המדענים. ישנן שתי שגיאות אפשריות למיקום פגיעת הטיל: שגיאה בכיוון מעוף הטיל (שגיאה בטווח הבליסטי) ושגיאה בכיוון הניצב למישור התנועה (Guide plane) של הטיל (שגיאה באזימוט). על הראשון התגברו באמצעות חישוב ושליטה ברגע כיבוי מנוע הטיל (שכונה "Brennschluss") ובאמצעות מנגנון ששלט בזווית העלרוד של הטיל (ולפיכך בקצב ההגבהה שלו) כתלות בזמן כך שבסיום השלב הממונע הטיל היה בעל גובה ומהירות "אופקית" מסוימת. לצורך פיתוח המנגנון, פותח במעבדות המחקר בפנמינדה סימולטור מתאים - מחשב אנלוגי שבעזרתו בחנו המדענים פרופילי טיסה שונים (המחשבים האנלוגיים בהם נעזרו פותחו על ידי הלמוט הולצר). בעזרת המחשב של הולצר, שהיה אחד המחשבים הראשונים בעולם שהיו לגמרי אלקטרוניים, נתאפשר לבצע במספר דקות חישובים שלקחו קודם לכן כשבועות אחדים, והתרומה שלו הייתה קריטית להצלחה של פרויקט ה־V-2.
הצורך בדיוק באזימוט נענה בשילוב מחשב אנלוגי במערכת ההנחיה של הטיל, אשר בעזרת המערכות הגירוסקופיות פעל כדי להוציא פקודות אנלוגיות להגאי הטיל לתיקון כיוון תנועתו. המחשב שלט בתנועה הקווית של הטיל ובתנועות הסיבוב בכל הצירים ותיאם ביניהם. השילוב של מערכת הנחיה מבוססת מחשוב אנלוגי בטיל אפשר להקטין את הסטייה האנכית במיקום הפגיעה של הטיל מ־3.5 קילומטר לבערך 0.5 קילומטר. ההישג הזה במחשוב ההנחיה הוא אבן הפינה בהנחיית הטילים הבליסטיים המודרנית, וכן בבקרת טילים (מבחינת הדינמיקה שלהם כגוף קשיח; את הדינמיקה התלת־ממדית של טיל או רקטה מתארת מערכת סבוכה של 6 משוואות דיפרנציאליות מצומדות מסדר שני[4]).
השיגור המוצלח הראשון של הטיל V-2 בוצע במרץ 1942 ואילו השיגור המבצעי הראשון בוצע ב־8 בספטמבר 1944. מספר השיגורים המבצעיים הכולל של הטיל עמד על 3225.
לצורך בקרה ושיפור ביצועי הטיל, הטיל נצבע בתבנית שחור־לבן אופיינית, בדומה ללוח שחמט, כדי שניתן יהיה לקבוע מצילומים בקלות אם הטיל מסתובב על צירו.
הפיתוח האווירודינמי של ה־V-2
דגם מנהרת רוח של ה־V-2.
התכנון של טיל ה־V-2 נגזר מן הכוחות האווירודינמים והטמפרטורות להם הוא נחשף במהלך מעופו. הצורה, המבנה והביצועים תלויים באופן חזק במידת הידע על התנאים האווירודינמיים והתרמודינמיים במהלך טיסה על קולית, ואלו לא היו ידועים כלל בתחילת הפיתוח של רקטות ארוכות־טווח. מחקרים סיסטמטיים על גרר, יציבות, בקרה וחימום אווירודינמי של הגוף העל קולי היו חייבים להיעשות לפני שניתן יהיה לשגר רקטות ארוכות טווח בהצלחה. בעיני החוקרים, מטרות המחקר הזה היו בראשונה תכנון עיצוב אווירודינמי כזה שיאפשר יציאה יציבה ומוצלחת מהאטמוספירה של כדור הארץ, ושנית, להשתמש בידע האווירודינמי שנצבר לתכנון מערכת בקרה אפקטיבית לטיל ה־V-2 שתוכל לייצב אותו במהלך מעופו - שתוכל לטפל באוסצילציות העלרוד והסבסוב וכן בסטייה מהמסלול המתוכנן (על כן כונה אחד מרכיבי מחשב הטיל Lateral Integrator - אינטגרטור תאוצה בציר הרוחב), ובסופו של דבר תביא לסטייה קטנה יותר במיקום הפגיעה של הטיל.
במסגרת המחקר הניסויי שנערך במנהרות הרוח, דגמי הטיל נבנו במגוון צורות וקונפיגורציות, בהתבסס על סכמות תאורטיות שונות ועל תוצאות ניסוייות קודמות על התנהגות תת־קולית. המחקרים האלה קידמו רבות את ההבנה של ההתנהגות הדינמית של רקטות מיוצבות (Fin-stabilized rockets). אלו היו המבחנים עליהם ביסס שנלר מדרמשטט את החישובים שלו על התנועה ה"לונרית" של רקטות - האפקט הרזוננטי של השפעת העלרוד והגלגול זה על זה. חישובים אלו העניקו בפעם הראשונה הסבר תאורטי מספק לתופעת התנודות הקטסטרופיות אשר מנעו מדגמי הרקטות לחצות את מחסום מהירות הקול. התאוריה של שנלר הובילה להסבר מספק של התנועה הלונרית הזאת.
כשהמחקר האווירודינמי השיטתי החל ב־1937, לא הרבה מידע היה קיים על גופים במהירות על קולית. רסיסי מידע יכלו להיאסף מחקירות בליסטיות אשר נערכו על קליעים מיוצבי־ספין. ההתנהגות של הקליע המסתחרר הותקפה מתמטית במהלך העשורים הקודמים באמצעות גזירת המשוואות הגירוסקופיות המתארות את תנועת הקליע אשר מהן הוסק מקדם היציבות של הקליע. אף על פי כן, הרכיבים של הכוחות והמומנטים האווירודינמיים והאינטראקציות המורכבות שלהם, במיוחד בזרימה על קולית, היו לא ידועים. כדי לחקור את הטריטוריה החדשה, החוקרים נשענו באופן נרחב על פרסומים קודמים של בוזמן (Busemann), קרמן, פרנדטל, אקרט, ואחרים. בעזרתם של פרסומים קודמים אלו, הם חישבו את התפלגות הלחץ על הגופים של ה־A-4 וה־A-5 באמצעות שיטת הבורות והמקורות. מאוחר יותר במהלך המלחמה, הם פיתחו שיטות מתמטיות חדשות משלהם לחישובים תאורטיים על גופים בעלי סימטריה גלילית. תוצאות החישובים החשובים האלה שימשו כדי למצוא צורות מיטביות מבחינת גרר עבור הטיל, וחוקר בשם וולפגנג האק (אנ') חישב ב-1941 את צורת הגוף המיטבית מבחינת מזעור גרר גלים (wave drag) - ה־Sears–Haack body. צורתו הסופית של גוף ה-V-2 דמתה למדי לצורה זו, והחישוב נשמר בסוד במהלך תקופת המלחמה. בעלות חשיבות ראשונה במעלה עבור צוות ההנחיה של פון בראון היו גם המחקרים על הריסון האווירודינמי של הטיל, אשר הדגימו כיצד הטיל מתנהג במהלך החדירה לאטמוספירה. בעיה זו הותקפה באינטנסיביות על ידי חטיבת המחקר, ו־W. Heybey חקר פתרונות שונים של המשוואות הדיפרנציאליות המתארות את הריסון. ניסויים שנערכו הדגימו איך דגמים מסוימים, אף שהיו בעלי זווית התקפה קרובה ל־180 מעלות, פנו בחדות לכיוון הרוח וייצבו את עצמם בכיוון זה באמפליטודות הקטנות במהירות.
מחקרים נוספים נערכו גם על השפעת הסילון הנפלט מגוף ה־V-2 על הגרר האווירודינמי על גוף הטיל. במסגרת זו נערכו חישובים תאורטיים על זווית התרחבות הסילון (jet expansion angle) במספרי מאך וגבהים שונים. החישובים הראשונים שנערכו על הסילון הסימטרי העידו על זווית התרחבות גבוהה למדי של 70 מעלות בגובה של הפסקת פעולת המנוע, שהוא בערך 25 קילומטר, הרבה מעבר לזווית ההתרחבות הצפויה של 45 מעלות. אף על פי כן, חישובים נוספים שנערכו מאוחר יותר העידו, שהודות לאפקטים אווירודינמיים מסוימים, זווית ההתרחבות תהיה בכל זאת נמוכה במקצת מ־45 מעלות. ממצאי הסיכום קבעו, שבתחום התת־קולי הגרר עולה כתוצאה מהשפעת הסילון, בעוד שבתחום העל קולי הגרר יורד כתוצאה מהשפעת הסילון. ההסבר לתופעה המעניינת הזו הוא שבזרימה תת־קולית, בגבהים נמוכים ועם מעט התרחבות סילונית, הסילון מאיץ את האוויר הנוכח מאחורי הגוף, ובכך מוריד את הלחץ הסטטי באזור הבסיס וגורם לתוספת גרר. בזרימה על קולית לעומת זאת, הסילון לובש צורה חרוטית משמעותית, ולכן כל זרימת האוויר שמסביב לטיל צריכה לעבור דרך אזור שעבר דחיסת הלם (compression shock). הדבר משפיע על משטר הזרימה מסביב לגוף וגורם להתנתקות שכבת הגבול מגוף הטיל, ולהפחתת הגרר.
מכלול התוצאות התאורטיות שנצברו שימש לבסוף ליצירת העיצוב האווירודינמי הייחודי של הטיל. ארבע הכנפיים האווירודינמיות של הטיל מוקמו מטעמי סימטריה בזוויות של 90 מעלות אחד יחסית לשני. כל אחת מהכנפיים הייתה משוכה לאחור בזווית של 60 מעלות, ואורכה היה שני קליברים מלפנים לבסיס וחצי קליבר מאחורי הבסיס. השפה האחורית של הכנף הייתה משוכה לאחור בזווית של 45 מעלות כדי להשאיר מרחב מספיק להתרחבות של הסילון בגובה רב. השפות החיצוניות התבדרו בזווית של 2 מעלות יחסית לציר הטיל.
במקור, החומר ממנו עשוי "עור" הטיל (השכבה החיצונית ביותר שלו) נבחר בעיקר משיקולים מכניים של הפחתה מרבית של משקל הרקטה. אף על פי כן, החישובים אשר
G. Eber ערך בפנמינדה הראו שהשכבה החיצונית של הטיל תהיה חייבת לעמוד בטמפרטורות גבוהות בצורה יוצאת דופן - הודות לאפקט המשולב של הדחיסה האדיאבטית של האוויר מסביב לטיל ושל החיכוך עם האוויר. החישובים הראו שצפויה טמפרטורה של יותר מ־1,000 מעלות צלזיוס במספר מאך , על כן החומר ממנו הורכבה השכבה החיצונית נבחר בקפידה.
פיתוח המנוע
מנוע ה־V-2
פיתוח המנוע הרקטי של הטיל החל לאחר שנצבר ניסיון וידע בפיתוח המנועים של הדגמים A-1-A-3. עד לתקופה בה החל הפרויקט, המנוע הרקטי החזק ביותר שנבנה (מנוע ה־A-3) היה בעל דחף של 1.5 טון. היעד שהציבו מתכנני המנוע לדחף של ה־V-2 על מנת לממש את ייעודו ככלי נשק לטווחים ארוכים היה 25 טון - פי 17 בערך מהמנוע הרקטי החזק ביותר שנבנה עד אז, ולכן הפיתוח היווה קפיצה של ממש. הפיתוח זכה לתנופה משמעותית בסוף שנות ה־30, תחילה בהנחייתו של ורנר פון בראון, ולאחר מכן תחת הנחייתו של ד"ר וולטר טיל, אשר הוביל את פיתוח מערכת ההנעה של ה־V-2 כמעט עד לשלמות עד שנהרג בהפצצה ב־3 באוגוסט 1943. וולטר טיל סיפק רעיונות מכריעים לגבי המנוע של הטיל וחקר תערובות דלקים ומחמצנים שונות עבור המנוע. הבחירה של חמצן נוזלי כמחמצן של הדלק נראתה מבטיחה שכן חמצן נוזלי, כצורה הטהורה ביותר של כל מחמצן, הציג מעט בעיות טכניות בכל הנוגע להצתה, האטומיזציה, והבקרה של תהליך בעירה בלחץ גבוה במנוע רקטי. כבר בשלב מוקדם בפיתוח היה ברור שגורם דומיננטי בנצילות האנרגטית של המנוע הוא כמות הדלק שלא נשרף (unburned propellant) הנפלט ביחד עם סילון המנוע. המתאר של שימוש בתערובת של 75% דלק אלכוהולי ו־25% חמצן בוסס על ידי חישובים וניסויים כקרוב למיטבי מההיבט הזה של הנצילות, ובנוסף תרם רבות לבטיחות של הטיל (במחיר של הפחתה קלה בנצילות).
כשתכנון המנוע החל, תעלומות רבות אפפו את תהליך הבעירה, במיוחד מנקודת המבט המתמטית; שאלות רבות כגון כמה זמן בעירה מסוימת תימשך, ומה הדחף לפי הזמן שתהליך בעירה מסוים מפיק, חסרו פתרון מתמטי מדויק. פתרונות כאלו היו בעלי חשיבות קריטית לתכנון היבטים רבים של המנוע, במיוחד עקב העובדה שהדחף שהמנוע צריך להפיק צריך לעלות עם הזמן (משיקולים של חיסכון אנרגטי; צפיפות האוויר יורדת משמעותית עם הגובה ואיתה הגרר האווירודינמי, על כן יש להשקיע את רוב הדחף באזור בו הגרר נמוך יותר). אחד החיבורים החשובים בו נעזרו מתכנני הטיל היה ספרו של אאורל סטודולה (Aurel Stodola) על טורבינות קיטור. עבודה חלוצית רבה בתחום נעשתה במכוני מחקר שונים בגרמניה. פרופסור שילר מלייפציג תרם רבות להבנה של תהליך הקירור הרגנרטיבי (Regenerative Cooling), ופרופסור קארל וגנר (אנ') מדרמשטט סיפק מודל מתמטי ופתרון מתמטי לתהליך הבעירה. מספר חוקרים נוספים בדרזדן תרמו רבות לביאור תהליכי האטומיזציה ולחקירה הניסויית של גזי הפליטה ונצילות הבעירה. במסגרת חקירות אלה הושג מספר רב של תוצאות תאורטיות - בין היתר הוגדר האורך האופייני של מנוע רקטי כ־ (כאשר הוא הנפח התאורטי של תא הבעירה ו־ הוא שטח החתך המינימלי של נחיר הפליטה). הפתרון המתמטי לתהליך הבעירה אפשר למשל לחשב את זמן ההישארות של אלמנט דלק בתא הבעירה, מה שאפשר[5] לקבוע את הנפח התאורטי של תא הבעירה, בתוצאה שהפכה ליסודית מאז בתרמודינמיקה של מנועים רקטיים.
המנוע שפותח הכיל מספר חידושים טכנולוגיים שאפשרו לו להשיג דחף גבוה יותר. ראשית, לתא הבעירה ניתנה צורה קצרה ועגולה יותר, בשונה ממנועים רקטיים קודמים שתוכננו שהיו ארוכים וצרים יותר. תכנון קפדני של הגאומטריה של תאי בעירה הוא גורם חשוב ביעילות של מנועים רקטיים, שכן היציבות והעוצמה של בעירת הדלק בתא תלויה באופן חזק בצורה ובגודל של התא. שנית, תא הבעירה פוצל לשני חלקים, הראשון הוא תא מקדים (pre-chamber system) שמטרתו לערבב את הדלק והמחמצן טוב יותר לפני הכניסה לתא הבעירה הראשי. הדלק והמחמצן נשאבו בספיקה המתאימה לתא המקדים באמצעות משאבות־טורבו והוזרקו באמצעות מנגנון הזרקה (injector) חדש שהזריק את הדלק והמחמצן לתא המקדים בתבנית סיבובית מסוימת אשר גרמה להם לעבור תהליך אטומיזציה טוב יותר. בנוסף, לשינוי הזה בארכיטקטורה של המנוע היה היתרון הבסיסי שהוא הרחיק את הלהבות של תא הבעירה הראשי ממנגנון ההזרקה, ובכך מנע נזקים העלולים להיגרם לו. משאבות הטורבו העוצמתיות של הטיל סבבו בקצב של 5,000 סל"ד, ורק כך 9 הטונות של הדלק הרקטי יכלו להישאב לתא הבעירה במשך זמן של בערך דקה (כלומר ספיקה של 150 ק"ג בשנייה). פיתוח המשאבה העוצמתית הצריך תכנון דקדקני ביותר; רק מפעל אחד שנמצא ביינבאך (Jenbach) שבאוסטריה היה יכול לספק את המשאבה, וגם זאת באיחור רב.
חידוש משמעותי נוסף היה בנוגע לתכנון נחיר הפליטה במוצא תא הבעירה (הנחיר הרקטי, שנקרא גם נחיר דה־לאוול). מחקרים תאורטיים הראו שנחיר בצורת חרוט קצר עם זווית יוצרת (חצי זווית ראש) של 15 מעלות ובלחץ של 0.8 אטמוספירות ביציאה מביא לביצועים מיטביים של הטיל מבחינת משקל המנוע והזנב, מקדם הדחף והמתקף הכולל, גרר הבסיס ויכולת הניהוג הסילוני של מסטי הסילון.
פיתוח מערכת הבקרה
אחד הרכיבים החשובים במערכת הבקרה של חלק מדגמי הטיל V-2 הוא מד התאוצה הקרוי "Mueller Mechanical Integrating Accelerometer". מד התאוצה הוא התקן מתוחכם העושה שימוש בגירוסקופ ובמטוטלת כדי למדוד תאוצות.
אחד ההיבטים המאתגרים בתכנון ה־V-2, היה המידור בפרויקט הפיתוח מחד גיסא, ומאידך הצורך בתיאום בין הצוותים האחראים על פיתוח הרכיבים השונים - תכנון כל רכיב ומאפייניו היה חייב להיעשות בתיאום עם תכנון רכיב אחר. הפיתוח החל בטרם הייתה תמונה כללית של הטיל. לכן היה צורך בתיאום תמידי בין צוותי הפיתוח. תכנון מערכת הבקרה הוא דוגמה כזאת, שכן אליו התנקזו כל התוצאות התאורטיות והמעשיות של הצוותים השונים.
טיל ה־V-2 היה אמור לשאת ראש קרב במשקל 1,000 קילוגרם למרחק של 250–320 קילומטר ביעף בליסטי ללא הנעה, לאחר שדחף המנוע תם. חישובים מתמטיים הראו שהטווח המקסימלי עבור מהירות נתונה ברגע כיבוי המנוע מתקבל עבור זווית נטייה של 41 מעלות ביחס לאופק. בגלל המשקל ההתחלתי שלו, כ־12.5 טון, משגר נטוי יהיה כבד מדי להובלה, לכן נבחר שיגור אנכי לפני הקרקע. לפיכך הטיל שינה את כיוון ההטיה שלו במהלך מעופו מרגע ששוגר אנכית; לשם כך חוג בקרה, שכונה בקרת עלרוד (pitch control), נדרש. היה צורך בחוג בקרה נוסף כדי לשלוט על סטיית הטיל בכיוון ניצב למישור התנועה הדרוש שלו. חוג בקרה שלישי נדרש כדי לשלוט בנטייה הטבעית של הטיל להסתובב סביב צירו בשל אי דיוקים מבניים בייצור הטיל.
הקושי המרכזי בתכנון חוגי בקרה מתאימים היה השינוי הדרסטי במאפיינים האווירודינמיים של הטיסה; מהירות הטיל וצפיפות האוויר השתנו במספר סדרי גודל, הכוחות האווירודינמיים השתנו משמעותית ואילו המרחק בין מרכז הכובד ומרכז הכוח האווירודינמי (pressure centre) השתנה בפקטור של 10. דרגת המשוב שנבחרה בחוגי הבקרה הייתה כה גבוהה שהאותות במעגל הבקרה שוככו כבר בתוך קבוע הזמן של הבקר (כלומר חריגות קטנות בתנועת הטיל טופלו כבר בשלב מוקדם, לכן הטיסה הייתה "חלקה"). ארבע שניות לאחר השיגור, הטיל החל לפנות בקצב משתנה (על תפקיד זה אחראית בקרת העלרוד), כך שהשלים פנייה של 49 מעלות מהציר האנכי כעבור 54 שניות בערך[6] (השינוי בקו האופק במהלך פניית הטיל זניח). פנייה זו הושגה באמצעות מערך של פוטנציומטר מסתובב[7] ומנגנון סרוו שקיבל משוב מן הפוטנציומטר על ההבדל בין הזווית בין ציר הטיל והציר האנכי וזווית העלרוד הרצויה. הפוטנציומטר המעגלי הסתובב בדפוס מסוים המחקה את דפוס בקרת העלרוד הרצויה של הטיל, ומנגנון הסרוו בתורו אחראי על הנעת משטחי ההיגוי כך שמוצא הפוטנציומטר יתאפס (ובכך לשמור על כיוון ציר הטיל בכיוון התנועה הרצוי). בדרך זו זווית ההתקפה של הטיל נשמרה תמיד מתחת ל־3 מעלות. הכנפיים האווירודינמיות של ה־V-2 שימשו לא רק לייצוב פסיבי של הטיל אלא גם לייצוב אקטיבי שלו - הן נוהגו כדי לשלוט בשינויים קטנים המתפתחים באוריינטצית הטיל; אולם כיוון שעיקר התמרון של הטיל התרחש בגובה רב, לא היה להן תפקיד מרכזי בניהוג מרכז המסה של הטיל; את תפקיד זה מילאו הגאי הסילון שבבסיס הטיל.
תיאור סכמטי של מערכת הבקרה של ה־V-2 הוא כדלקמן: מערכת ניווט אינרציאלית (INS) הורכבה ממדי תאוצה למדידת התאוצה הליניארית של הטיל בכל אחד מהצירים (במהלך פיתוח מערכת הבקרה הוצעו מספר סוגים שונים של מדי תאוצה; אחד הפתרונות הטובים ביותר שנמצאו עשה שימוש בעקרונות אלקטרומגנטיים), ומפלטפורמה גימבלית עליה מוצבים שלושה גירוסקופים אשר האוריינטציה הקבועה שלהם במרחב (לפי עקרון אינרציית הגירוסקופ) שימשה כמסגרת ייחוס ממנה ניתן לקבוע את התאוצות הזוויתית של הטיל בכל אחת מדרגות החופש שלו. את האינטגרציית התאוצות לכדי מיקום ואוריינטציה עכשוויים ביצע רכיב אלקטרומכני קריטי ייעודי הנקרא אינטגרטור כדור ודיסקה, המסוגל לבצע אינטגרציה רציפה בַזמן של נתוני חיישני התאוצה (אף כי דגמים שונים של הטיל עשו שימוש במערכות שונות; בפרט היו דגמים שעשו שימוש בתא אלקטרוליטי שביצע את האינטגרציות). השימוש בנתוני המיקום והאוריינטציה כדי להפיק פקודות אנלוגיות מתאימות לניהוג הטיל הייתה המשימה הראשית של המחשב האנלוגי של הטיל, שכונה "Mischgerat" או "mixing device" (שנבנה לפי תאוריית היציבות הרקטית שפותחה בפנמינדה). מנגנון הידראולי שימש כדי להוציא לפועל את פקודות המחשב ולהפעיל מומנט על כנפוני ההיגוי. ניתן לדמיין את תהליך הניהוג של הטיל כך[6]: הגאים אווירודינמיים וסילוניים 1 ו־3
שולטים על האוסצילציות והכיוון בציר הסבסוב (ובכך מכתיבים את מישור התנועה של הטיל), הגאים סילוניים 2 ו־4 שולטים על התנועה בציר העלרוד, ואילו הגאים אווירודינמיים 2 ו־4 פועלים בפאזות מנוגדות וכך שולטים על הגלגול של הטיל (תפקידם לרסן את הגלגול). האיכות הלא גבוהה של מנגנון ההיגוי ההידראולי הייתה ככל הנראה הסיבה העיקרית לדיוק הנמוך יחסית של הטווח הבליסטי של הטיל.
כדי לשלוט על רגע כיבוי המנוע, פותחה מערכת עקיבת מכ"ם מתאימה (Lorenz Leitstrahstellung) על ידי ד"ר פרידריך קירשסטיין מסימנס. הצורך במערכת כזאת, שחייבת להיות בעלת כושר הבחנה גבוה בתדר (כדי לקבוע את מהירות הטיל במדויק; שגיאות קטנות במדידת המהירות ברגע כיבוי המנוע מתפתחות לאחר 4 הדקות של המעוף הבליסטי של הטיל לסטייה גדולה במיקום הפגיעה שלו), התברר לאחר שמערכת הניווט הגירוסקופית של הטיל הוכיחה את עצמה כלא מדויקת מספיק לקביעת מהירות הטיל ורגע כיבוי המנוע, זאת בשל אי דיוקים האופייניים לכל מערכות הניווט האינרציאליות. המערכת שימשה למעקב אחרי הטיל בניסויי שיגור, ועשתה שימוש באפקט דופלר כדי למדוד את מהירות הטיל בכיוון קו הראייה מן התחנה אליו. על מנת למדוד ישירות את מהירות הטיל, המערכת הוצבה על הקרקע בנקודה ממנה הטיל נראה כנע לאורך אלומת המכ"ם ברגע כיבוי המנוע (הנקודה חושבה על פי פרופיל הטיסה הרצוי מהטיל), כך שאפקט דופלר מדד למעשה את מהירות הטיל עצמה. כשמהירות הטיל חלפה דרך ערכה הרצוי, סיגנל שודר מן התחנה שהפעיל את מנגנוני הפסקת הפעולה של הטיל.
פיתוחי המשך שנקטעו
מארז לשיגור הטיל מהים. מארז זה אמור היה להיות נגרר בידי צוללת.
על בסיס הטיל V-2, בוצעה עבודת פיתוח של טיל בליסטי דו־שלבי A-9/A-10 בעל טווח של 5,000 קילומטרים שיועד לפגיעה בארצות הברית. הפיתוח של טיל זה נקטע עם תבוסת גרמניה וסיום מלחמת העולם השנייה.
פרויקט נוסף היה בשם "Prüfstand XII", שמטרתו לאפשר שיגור של טילים בליסטיים מצוללות באמצעות הפיכת צוללות לפלטפורמה מתאימה לשיגור טילים בליסטיים (מה שמכונה SLBM - Submarine-launched ballistic missile). הפלטפורמה שפותחה נבחנה בניסוי בהצלחה, אך המלחמה הסתיימה לפני שנעשה במערכת שימוש. לאחר המלחמה, צבאות ארצות הברית, ברית המועצות, וצרפת השתמשו במערכת כבסיס לפיתוח פלטפורמות לשיגור טילים בליסטיים בין יבשתיים מצוללות.
לוגיסטיקה של השיגור - לוח זמנים
V-2 בהכנות לשיגור
הפרוצדורה שקדמה לכל שיגור של טיל V-2 הייתה בסדר הכרונולוגי הבא:
שעה לפני השיגור - מכלי הדלק והחמצן ממולאים בסדר הבא: 4000 ק"ג אלכוהול, 5000 ק"ג חמצן נוזלי, 150 ק"ג HTP, זרז נתרן פרמנגנט - 13 ק"ג. בנוסף, הגאי הסילון עשויי הגרפיט מחוברים לטיל.
30 דקות לפני השיגור - גירוסקופים מוצבים בצירים האופקיים והאנכיים המיועדים להם; ההתאמה לצירים המיועדים נעשית באופן מדויק באמצעות קולימטורים. ראש הקרב מחומש.
10 דקות לפני השיגור - הרצה של כל מנגנוני המתגים והשסתומים בהתאם לסדר הפעולה שלהם. לחצים וטמפרטורות נבדקים.
3 דקות לפני השיגור - כל הגירוסקופים מתחילים לעבוד; הם סובבים בקצב של 30,000 סל"ד (500 סיבובים בשנייה).
2 דקות לפני השיגור - בדיקות אחרונות של הטיל.
דקה לפני השיגור - שסתומי הדלק והחמצן נפתחים ומאפשרים ל־9 ק"ג בשנייה של דלק להגיע בהשפעת הכבידה לתא הבעירה.
20 שניות לפני השיגור - צופה מרחוק מאשר שהדלק ניצת. משאבת הדלק מתחילה לפעול.
10 שניות לפני השיגור - משאבת הדלק והמחמצן פועלת עתה במלוא העוצמה; ספקי הכוח החיצוניים מכובים והבטריות הפנימיות מופעלות - שלב הדחף הראשוני מאותחל.
5 שניות לפני השיגור - הדחף עתה ב־8 טון. כל המערכות עובדות.
רגע השיגור - שלב הדחף הראשי של 25 טונות מתחיל.
תרומת ה־V-2 למאמץ המלחמתי הגרמני
עלות הפיתוח והייצור של טילי ה־V-1 וה־V-2 הייתה שקולה לכ-40 מיליארד דולר אמריקני, פי 1.5 יותר מהעלות של פרויקט מנהטן שהפיק את פצצת האטום. כ־6,048 טילי V-2 נבנו ומתוכם רק 3,225 שוגרו. פרויקט ה־V-2 צרך כשליש מתוצרת הדלק של גרמניה ונתחים גדולים של טכנולוגיות קריטיות אחרות. כדי להפיק את כמות הדלק האלכוהולי הדרושה לשיגור טיל V-2 יחיד היה צורך ב־30 טונות של תפוחי אדמה, זאת בעת בה מזון לא היה מצוי בשפע.
ל־V-2 לא היה מרעום קרבה, כך שלא ניתן היה ליזום את פיצוצו מעל הקרקע. הטיל שנחבט בקרקע במהירות על קולית קבר את עצמו בטרם התפוצץ ובכך נפגעה יעילות הפיצוץ. בנוסף לכך, מערכות ההנחיה שלו לא אפשרו פגיעה במטרות נקודה בעלות ערך אסטרטגי, ולכן שוגר אל מטרות בגודל של עיר. העלות שלו השתוותה לזה של מפציץ בעל 4 מנועים, שהיה מדויק יותר, בעל טווחים ארוכים יותר, נשא חימוש במשקל רב יותר, וניתן היה לשימוש חוזר. לשם השוואה, ביממה אחת במהלך מבצע הוריקן הטיל חיל האוויר המלכותי מעל 10,000 טונות של פצצות על בראונשוויג ודיסבורג, כמות השקולה ל־10,000 טילי V-2. בנוסף, מערכות טילים אחרות שתוכננו, כגון מערכת טילי הקרקע אווירוסרפאל, היו בעלות פוטנציאל רב יותר להשפעה על תוצאות המלחמה; כאמצעי לעצירת ההפצצות המסיביות של בעלות הברית על ערי גרמניה.
לטילי ה־V-2 לא הייתה כל השפעה על תוצאות המלחמה, ועיקר ערכם היה מוראלי ותעמולתי; לקראת סיום המלחמה הוא חיזק את האמונה של מעצמות הציר בקיומם של נשקי פלא (Wonder weapons) שיוכלו להפוך את הקערה על פיה. מורשתו של ה־V-2 באה לידי ביטוי בעולם שאחרי מלחמת העולם השנייה, בכך שסלל את הדרך לפיתוח טילים בליסטיים בין יבשתיים ולמסע בחלל.
לאחר מלחמת העולם השנייה
התמונה הראשונה שצולמה מעל קו קרמן, בגובה של 105 ק"מ, צולמה ממצלמה על גבי הטיל V-2 מס' 13 משופר ששיגרו מדענים אמריקאים ב־24 באוקטובר 1946
לאחר המלחמה, שימש טיל ה־V-2 כאב־טיפוס לפיתוח טילים בליסטיים נוספים בארצות הברית, ברית המועצות ומדינות אחרות. מידע טכני, רכיבים, משוואות ההנחיה, הניווט והבקרה של הטיל, כמו גם פרטים תכנוניים מסווגים רבים נמסרו לצבא ארצות הברית. המהנדסים שתכננו את הטיל ובראשם ורנר פון בראוןנשבו בסיום המלחמה על ידי האמריקנים. חלק מהמהנדסים נבחרו ושולבו בתוכנית החלל האמריקנית כחוקרים וכמפתחי טילים ובהם הטיל סטורן 5 ששיגר את חלליות אפולו לירח. רבים מהאספקטים התכנוניים של טיל ה־V-2 שבמובן מסוים לא צלחו כיוון שלא פותחו עד הסוף, הפכו לאחר המלחמה לדוגמה לקווים מנחים לתכנון טילים עתידיים. הרדסטון הוא למעשה גרסה מעט מתקדמת של הטיל V-2.
בנוסף לחומרה של הטיל V-2, ממשלת ארצות הברית העבירה מסמכים רבים מגרמניה לארצות הברית. אלו הכילו משוואות מיכון הנוגעות להנחיה, הניווט והבקרה של הטיל, כמו גם קונספטים מתקדמים על כלי רכב חלליים. בשנות ה־50 כמה מהמסמכים האלו היו שימושיים לפיתוח קונספטים מרכזיים לארכיטקטורה של מערכות ניווט אינרציאליות, כגון טרנספורמציות מטריציוניות (direction cosine matrix transformations) מסוימות, ואלו יושמו בתוכניות מוקדמות כגון מערכות ההנחיה של טילי האטלס ומיניטמן כמו גם למערכות הניווט של הצוללות של חיל הים האמריקני.
בטילי ה־V-2 שנתפסו נעשה שימוש למגוון משימות חקר. מספר טילי V-2 שוגרו כדי לדגום את האוויר בשכבות שונות כדי לקבוע את הלחצים האטמוספיריים השונים ברמות שונות וכדי לראות אילו גזים מרכיבים את השכבות העליונות של האטמוספירה. ניסויים אחרים ניסו למדוד את רמת הקרינה הקוסמית. בהזדמנות אחרת שיגרו טיל V-2 כדי לצלם את כדור הארץ "מלמעלה" וכך צולמה התמונה הראשונה בחלל.
