Tên lửa Polaris ra đời đã thay thế cho kế hoạch phát triển tên lửa phóng từ tàu ngầm dựa trên tên lửa đạn đạo tầm trung Jupiter của Quân đội Hoa Kỳ. Trưởng phòng Tác chiến Hải quân, Đô đốc Arleigh Burke đã bổ nhiệm Chuẩn Đô đốc W. F. "Red" Raborn làm người đứng đầu Văn phòng Dự án Đặc biệt để phát triển tên lửa Jupiter cho Hải quân Mỹ vào cuối năm 1955. Tại hội nghị Project Nobska diễn ra vào năm 1956, với sự hiện diện của Đô đốc Burke, nhà vật lý hạt nhân Edward Teller tuyên bố rằng một đầu đạn nhỏ có đương lượng nổ 1 megaton có thể được phát triển cho tên lửa Polaris trong vòng vài năm, và điều này đã khiến Burke từ bỏ chương trình Jupiter và tập trung vào chương trình tên lửa Polaris vào tháng 12 năm đó.[2][3] Dự án phát triển tên lửa Polaris được chỉ đạo bởi bộ phận phát triển tên lửa- một chi nhánh của Văn phòng Dự án Đặc biệt của Hải quân dưới sự chỉ đạo của Chuẩn Đô đốc Roderick Osgood Middleton,[4] Đô đốc Admiral Burke sau này xác định quy mô của lực lượng tàu ngầm mang tên lửa Polaris, ông cho rằng Hải quân Mỹ cần 40-45 tàu ngầm mang Polaris với 16 tên lửa trên mỗi tàu ngầm.[5] Cuối cùng, số tàu ngầm mang tên lửa Polaris của Hải quân Mỹ được ấn định là 41 chiếc.[6]

Tàu ngầm USS George Washington là tàu ngầm đầu tiên có khả năng triển khai tên lửa đạn đạo từ tàu ngầm (SLBM). Trách nhiệm phát triển SLBM thuộc về văn phòng Dự án Đặc biệt của Hải quân (SP). Người đứng đầu văn phòng khi đó là Chuẩn Đô đốc William Raborn.[7]

Vào ngày 13 tháng 9 năm 1955, James R. Killian, người đứng đầu một ủy ban đặc biệt do Tổng thống Eisenhower thành lập, khuyến nghị rằng cả Lục quân và Hải quân nên hợp tác với nhau trong chương trình phát triển tên lửa đạn đạo tầm trung (IRBM). Tên lửa, mà sau này được gọi là Jupiter, sẽ được phát triển trong khuôn khổ Ủy ban tên lửa đạn đạo liên quân-Hải quân do Bộ trưởng Quốc phòng Charles E. Wilson phê duyệt vào đầu tháng 11 năm đó.[8] IRBM đầu tiên có thiết kế sử dụng nhiên liệu lỏng. Tên lửa nhiên liệu lỏng thích hợp với việc trang bị trên máy bay; nó ít tương thích hơn với tàu ngầm. Mặt khác, nhiên liệu rắn giúp cho việc vận chuyển và lưu trữ trở nên đơn giản hơn và an toàn hơn.[7] Không chỉ sử dụng nhiên liệu lỏng, tên lửa Jupiter còn có kích thước lớn; ngay cả ở phiên bản sử dụng nhiên liệu rắn, nó vẫn nặng tới 160.000 pounds. Hải quân Mỹ cần một loại tên lửa được thiết kế mới, nhỏ hơn, nhẹ hơn, ước tính chỉ khoảng 30.000 pound. Edward Teller cũng đồng tình với quan điểm này. Ông cho rằng công nghệ cần được thay đổi, thay vì áp dụng công nghệ đã cũ.[7] Raborn cũng tin rằng việc phát triển một tên lửa mới, nhỏ hơn là điều khả thi.[7]

Dự án Nobska

Hải quân Hoa Kỳ bắt đầu nghiên cứu chế tạo tàu ngầm chạy bằng năng lượng hạt nhân vào năm 1946. Mỹ hạ thủy tàu ngầm hạt nhân đầu tiên, USS Nautilus vào năm 1955. Các tàu ngầm chạy bằng năng lượng hạt nhân ít bị tổn thương trong trường hợp bị Liên Xô tấn công phủ đầu. Tiếp theo, yêu cầu đặt ra là nên trang bị cho tàu ngầm chạy bằng năng lượng hạt nhân những loại vũ khí nào.[9] Mùa hè năm 1956, hải quân Mỹ tài trợ cho một nghiên cứu của Học viện Khoa học Quốc gia về chiến tranh chống ngầm tại Nobska Point ở Woods Hole, Massachusetts, được gọi là Dự án NOBSKA. Dự định của hải quân là nhằm phát triển một loại tên lửa tầm trung mới nhẹ hơn các tên lửa hiện có và có tầm bắn lên đến 1500 dặm. Tuy nhiên thiết kế tên lửa mới này sẽ không thể mang đầu đạn nhiệt hạch có đương lượng nổ một megaton như yêu cầu.

Dự án nghiên cứu này đã thu hút Edward Teller từ phòng thí nghiệm vũ khí hạt nhân mới thành lập tại Livermore và J. Carson Mark, đại diện cho phòng thí nghiệm vũ khí hạt nhân Los Alamos cùng tham gia đấu thầu. Cuối cùng Teller đã chiến thắng J. Carson Mark trong cuộc đấu thầu. Teller và Mark vốn biết rõ về nhau: Mark được bổ nhiệm làm trưởng bộ phận nghiên cứu lý thuyết của Los Alamos vào năm 1947, một công việc ban đầu dự định được giao cho Teller. Mark là một nhà vật lý thận trọng và không thể sánh được với Teller trong cuộc đấu thầu.[10]

Edward Teller đề nghị ông sẽ phát triển một đầu đạn nhẹ có sức mạnh một megaton trong vòng 5 năm. Ông gợi ý rằng ngư lôi trang bị vũ khí hạt nhân có thể thay thế cho ngư lôi thông thường nhằm tạo ra một vũ khí chống ngầm mới. Phòng thí nghiệm Livermore đã đảm nhận dự án. Khi Teller trở lại Livermore, mọi người đã rất ngạc nhiên vì sự táo bạo trong lời hứa của Teller. Dường như không thể tưởng tượng được có thể thu nhỏ đầu đạn hạt nhân với kích thước hiện tại của nó. Teller chỉ ra xu hướng trong phát triển công nghệ đầu đạn, theo đó cứ mỗi thế hệ mới được phát triển, trọng lượng của đầu đạn càng ngày càng nhẹ hơn so với năng suất của nó[11] Khi Teller được hỏi về việc áp dụng điều này vào chương trình FBM, ông đã đáp lại, "Tại sao lại phải sử dụng đầu đạn phát triển từ năm 1958 trong hệ thống vũ khí ra đời năm 1965?"[12]

Mark cho rằng không thể phát triển loại đầu đạn một megaton có kích thước đủ nhỏ để để có thể trang bị trên loại tên lửa mới trong khoảng thời gian như Teller dự kiến. Thay vào đó, Mark gợi ý rằng đầu đạn có đương lượng 0,5 megaton sẽ thực tế hơn và gói thầu của ông giá cao hơn giá của Teller, đồng thời thời gian thực hiện cũng lâu hơn. Nhưng yếu tố thời gian mới là yếu tố quyết định đối với Hải quân Mỹ. Cho dù đầu đạn có trọng lượng một nửa hay một megaton cũng không quan trọng miễn là nó sẽ được hoàn thành trước thời hạn để trang bị trên loại tên lửa mới.[11] Do đó, gói thầu chế tạo đầu đạn của Teller được Hải quân Mỹ lựa chọn vào đầu tháng 9.

Có ý kiến ​​cho rằng chương trình tên lửa "Polaris" của Hải quân không liên quan đến chương trình tên lửa Jupiter của Lục quân Mỹ. Hải quân Mỹ ban đầu cũng dự định tham gia chương trình tên lửa Jupiter, nhưng sau đó đã tập trung nguồn lực cho chương trình tên lửa Polaris. Tên lửa Jupiter rất khó để có thể trang bị trên các tàu ngầm. Kích thước lớn cùng với tính dễ bay hơi của nhiên liệu lỏng khiến nó không thích hợp để phóng từ tàu ngầm và tàu nổi. Tên lửa Jupiter được tiếp tục phát triển bởi nhóm kỹ sư của Lục quân Đức cùng với công ty Chrysler. Trọng trách của SPO là phát triển một bệ phóng trên biển cùng với các hệ thống điều khiển hỏa lực và hệ thống ổn định. Kế hoạch dự kiến ban đầu là sẽ phóng thử tên lửa đạn đạo tầm trung từ tàu nổi vào ngày 1/1/1960 và từ tàu ngầm vào ngày 1/1/1965.[13] Tuy nhiên Hải quân Mỹ không muốn sử dụng một tên lửa đạn đạo tầm trung nhiên liệu lỏng. Điều đầu tiên họ lo ngại là nhiên liệu lỏng đông lạnh không chỉ cực kỳ nguy hiểm khi xử lý mà việc chuẩn bị phóng cũng rất tốn thời gian. Thứ hai, tên lửa sử dụng nhiên liệu lỏng cho gia tốc ban đầu tương đối thấp, điều này bất lợi khi phóng tên lửa từ tàu ngầm ở một số trạng thái biển nhất định. Vào giữa tháng 7 năm 1956, Ủy ban Cố vấn Khoa học của Bộ Quốc phòng đã khuyến nghị rằng phải sử dụng tên lửa nhiên liệu rắn nhưng không sử dụng hệ thống dẫn đường và tải trọng như tên lửa Jupiter. Đến tháng 10 năm 1956, một nhóm nghiên cứu bao gồm các nhân vật chủ chốt từ Hải quân, công nghiệp và các tổ chức học thuật đã xem xét đánh giá các thông số thiết kế của tên lửa Polaris và kết luận tên lửa nặng 30.000 pound có thể mang theo đầu đạn được thiết kế phù hợp bay đến mục tiêu cách xa 1.500 hải lý. Với đánh giá lạc quan này, Hải quân Mỹ đi đến quyết định từ bỏ hoàn toàn chương trình Jupiter.[14] Trước đó Hải quân Mỹ từng dự định trang bị trên mỗi tầu ngầm 4 tên lửa "Jupiter", phóng theo phương nằm ngang. Đây có thể chính là dự án phát triển tên lửa SSM-N-2 Triton mà đã bị hủy bỏ.[15] Cuối cùng Hải quân Mỹ đã chọn phát triển tên lửa Polaris hoàn toàn mới thay vì tiếp tục phát triển tên lửa Jupiter.

Ban đầu, Hải quân Mỹ ủng hộ sử dụng các hệ thống tên lửa hành trình, chẳng hạn như tên lửa hành trình Regulus được triển khai trên tàu ngầm USS Grayback trước đó và một số tàu ngầm khác, nhưng một nhược điểm lớn của các hệ thống phóng tên lửa hành trình thời kỳ đầu (và cũng là vấn đề của tên lửa Jupiter) là tàu ngầm khi phóng tên lửa phải nổi lên trong một thời gian. Các tàu ngầm rất dễ bị tấn công khi nổi lên để phóng tên lửa, và một tên lửa được tiếp nhiên liệu đầy đủ hoặc một phần trên boong tàu ngầm có thể phát nổ khi bị bắn trúng. Khó khăn trong việc chuẩn bị phóng tên lửa trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt là một nhược điểm lớn khác của các thiết kế này. Còn tên lửa Polaris phóng được ngày cả khi tàu ngầm đang lặn sẽ giúp loại bỏ các nhược điểm trên.

Rõ ràng là tên lửa đạn đạo nhiên liệu rắn có lợi thế hơn tên lửa hành trình về tầm bắn và độ chính xác, khả năng phóng tên lửa khi tàu đang lặn giúp tăng khả năng sống sót của tàu ngầm.

Nhà chế tạo chính trong chế tạo cả 3 phiên bản tên lửa Polaris là Công ty tên lửa và vũ trụ Lockheed (nay là Lockheed Martin).

Chương trình phát triển tên lửa Polaris bắt đầu từ năm 1956. USS George Washington, tàu ngầm tên lửa đầu tiên của Mỹ, đã phóng thử nghiệm thành công tên lửa Polaris trong khi đang lặn vào ngày 20 tháng 7 năm 1960. Phiên bản A-2 của tên lửa Polaris thực chất là A-1 nâng cấp, đi vào hoạt động vào cuối năm 1961. Nó được trang bị trên tổng cộng 13 tàu ngầm mang tên lửa hạt nhân và ở trong biên chế cho đến tháng 6 năm 1974. Các vấn đề liên tục xảy ra với đầu đạn nhiệt hạch W-47, dẫn đến việc phải thu hồi một số lượng lớn tên lửa để sửa đổi. Hải quân Mỹ đã tìm cách thay thế chúng bằng đầu đạn mới có đương lượng nổ lớn hơn hoặc tương đương. Kết quả là sự ra đời của đầu đạn W-58 sử dụng trong một "cụm" ba đầu đạn MIRV trang bị trên tên lửa Polaris A-3, phiên bản cuối cùng của tên lửa Polaris.

Một trong những vấn đề ban đầu mà Hải quân Mỹ gặp phải khi chế tạo SLBM là việc khi tàu ngầm di chuyển trên biển. Khi trên biển, sóng biển tác động vào tàu ngầm, làm ảnh hưởng đến độ chính xác của tên lửa.

Ngày 4 tháng 10 năm 1957, Liên Xô phóng vệ tinh nhân tạo SPUTNIK- vệ tinh đẩu tiên của loài người.[7] Điều này khiến cho Mỹ phải tăng tốc tiến độ của Dự án tên lửa Polaris[7]

Tên lửa Polaris được phát triển theo hai hướng phóng ướt và phóng khô. Phóng khô là để tên lửa trong một ống phóng, ống phóng nổi lên và tự bung ra khi tên lửa chạm mặt nước[7]. Phóng ướt là bắn tên lửa xuyên qua mặt nước mà không có vỏ bọc.[7] Hải quân Mỹ nghiêng về phương án phóng ướt nhưng vẫn phát triển cả phương pháp phóng khô để dự phòng.[7] Nhờ hệ thống đẩy không khí, tên lửa Polaris được đẩy ra khỏi ống phóng chìm trong nước.

Các vụ thử tên lửa Polaris đầu tiên[7] được đặt ký hiệu là "AX- #" và sau đó được đổi thành "A1X- #". Danh sách các lần phóng thử nghiệm:

Ngày 24 tháng 9 năm 1958: vụ phóng thử AX-1, từ Mũi Canaveral; tên lửa đã bị phá hủy, sau khi nó không thể duy trì quỹ đạo chính xác do lỗi lập trình.

Tháng 10 năm 1958: AX-2, tên lửa phát nổ trên bệ phóng.

30 tháng 12 năm 1958: AX-3, tên lửa phóng thành công, nhưng đã bị phá hủy vì nhiệt độ của nhiên liệu vượt quá giới hạn.

Ngày 19 tháng 1 năm 1959: AX-4, tên lửa phóng thành công nhưng chuyến bay không bình thường và tên lửa bị phá hủy.

Ngày 27 tháng 2 năm 1959: AX-5, kết quả như lần phóng AX-4.

Ngày 20 tháng 4 năm 1959: AX-6, lần phóng thử nghiệm này đã thành công. Tên lửa tách tầng và rơi xuống Đại Tây Dương cách bờ biển 300 dặm.

Chính giữa hai lần thử nghiệm này, hệ thống dẫn đường quán tính đã được phát triển và triển khai để thử nghiệm.

Ngày 1 tháng 7 năm 1959: AX-11 phóng tên lửa thành công, nhưng mảnh tên lửa rơi ra làm vụ phóng thất bại. Vụ phóng tên lửa cũng cho thấy rằng hệ thống dẫn đường mới đã hoạt động.

Hệ thống dẫn đường

Vào thời điểm tên lửa Polaris đi vào trang bị, hệ thống định vị tàu ngầm đủ tốt để dẫn đường cho các vũ khí hiện có của quân đội Mỹ. Ban đầu, các kỹ sư thiết kế tên lửa sử dụng cấu hình "nền tảng ổn định" của hệ thống dẫn đường quán tính có sẵn của tàu ngầm, được phát triển bởi phòng thí nghiệm công cụ MIT. Hệ thống này có tên gọi Hệ thống định vị quán tính dành cho tàu chiến (SNIS) mới được đưa vào trang bị từ năm 1954. Việc phát triển tên lửa Polaris gặp nhiều khó khăn nhưng có lẽ khó khăn nhất là việc phát triển hệ thống dẫn đường cho nó.

Cấu hình của hệ thống định vị quán tính không tính đến sự thay đổi của trường hấp dẫn trong khi tàu ngầm đang di chuyển, và cũng không tính đến sự thay đổi vị trí của Trái đất. Điều này làm dấy lên mối lo ngại rằng hệ thống dẫn đường cho tên lửa sẽ không thể ổn định và chính xác. Tàu ngầm trang bị tên lửa đạn đạo sẽ vô dụng nếu không thể dẫn hướng cho trên lửa. GIờ đây các nhà thiết kế tên lửa Polaris phải nghiên cứu một hệ thống dẫn đường mới và họ nhanh chóng tìm thấy một hệ thống dẫn đường như vậy, vốn đã bị Không quân Mỹ loại bỏ. Công ty Autonetics của Hàng không Bắc Mỹ trước đây đã đảm nhận nhiệm vụ phát triển một hệ thống dẫn đường cho tên lửa Navaho của Không quân Hoa Kỳ được biết đến với tên gọi XN6 Autonavigator. XN6 là một hệ thống dẫn đường sử dụng khí nén vốn thiết kế cho tên lửa hành trình, và khi các nhà thiết kế sử dụng nó trên Polaris, nó hoạt động rất hiệu quả.

Trước khi hệ thống định vị vệ tinh GPS, người ta đã phát triển hệ thống định vị Transit (sau này được gọi là NAVSAT) dành riêng cho tàu ngầm. Vì các tàu ngầm phải xác định chính xác vị trí của mình trước khi phóng tên lửa. Hai nhà vật lý người Mỹ, William Guier và George Weiffenbach, tại Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng của Đại học Johns Hopkins (APL), bắt đầu phát triển hệ thống NAVSAT từ năm 1958. Người ta sử dụng máy tính AN/UYK-1 để giải mã tín hiệu từ vệ tinh Transit và gửi thông tin định vị cho tên lửa Polaris, máy tính AN/UYK-1 có kích thước đủ nhỏ để vừa với cửa sập tàu ngầm. Trước khi hệ thống định vị Transit đi vào hoạt động năm 1964, tàu ngầm sử dụng hệ thống định vị quán tính của tàu ngầm (SINS) để cập nhật liên tục tính toán vị trí của tàu ngầm cho tên lửa bằng các phương pháp khác như LORAN.[16]

Đến năm 1965, vi mạch tương tự như những vi mạch được Texas Instruments chế tạo cho tên lửa Minuteman II đã được Hải quân Mỹ mua để trang bị cho tên lửa Polaris. Hệ thống dẫn đường của tên lửa Minuteman cần 2000 vi mạch như vậy, do đó tên lửa Polaris cũng cần số vi mạch tương tự. Để có thể kiểm soát giá thành của chíp, chip được thiết kế theo tiêu chuẩn hóa và được chia sẻ với Công ty điện Westinghouse và RCA. Vào năm 1962 giá của chip gắn trên tên lửa Minuteman là $50. Giá mỗi con chip giảm xuống $2 vào năm 1968.[17]

Polaris A-3

Phiên bản A-3 đã thay thế các phiên bản A-1 và A-2 trước đó trong Hải quân Hoa Kỳ, đồng thời phiên bản A-3 cũng được trang bị cho Hải quân Anh. Polaris A-3 có tầm bắn mở rộng tới 2.500 hải lý (4.600 km) và khoang vũ khí mới chứa ba đầu đạn hồi quyển Mk 2 (ReB hay Re-Entry Body trong cách sử dụng của Hải quân Hoa Kỳ và Anh). Đầu đạn W-58 mới có đương lượng nổ 200 kt. Ban đầu kiểu thiết kế đầu đạn được mô tả như một "đầu đạn chùm" nhưng đã được thay thế bằng thuật ngữ Đa hồi quyển (MRV). Tuy nhiên các đầu đạn con bay phía trên mục tiêu và không thể nhắm mục tiêu độc lập (không giống như khái niệm MIRV sau này). Ước tính ba đầu đạn có sức công phá tương đương với một đầu đạn một megaton nhưng trải rộng hơn lên mục tiêu. Tàu ngầm mang tên lửa đạn đạo đầu tiên được trang bị MRV A-3 là USS Daniel Webster vào năm 1964.[18] Sau này Polaris A-3 cũng được trang bị các biện pháp để bảo vệ các thiết bị điện tử bên trong khỏi các yếu tố bên ngoài như vụ nổ xung điện từ do nổ bom hạt nhân gây ra. Phiên bản này được đặt tên là A-3T ("Topsy") và nó cũng là phiên bản cuối cùng của tên lửa Polaris.