V-2
היסטוריית פיתוח > הפיתוח האווירודינמי 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  M=5, על כן החומר ממנו הורכבה השכבה החיצונית נבחר בקפידה.