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小火箭 | 详解火星15:一年走完我国从东风3到东风5的路
送交者: x-file 2017年12月02日06:24:43 于 [世界游戏论坛] 发送悄悄话


2017
12/01
14:25
小火箭
评论
158

  小火箭出品

  本文作者:邢强博士

  本文共5380字,37图。预计阅读时间:40分钟

  公元2017年11月29日凌晨2点17分,朝鲜试射了最新的洲际弹道导弹火星-15。导弹沿预定轨道飞行53分钟,弹道最高点为4475公里,弹道落点距离发射点950公里。

  小火箭在本文要与大家共同探讨以下几个问题:

  火星-15是怎样的一款导弹?

  从火星-15的高抛弹道数据可否计算出该导弹的最大射程

  今后朝鲜的导弹工业将会有怎样的发展

  小火箭补充的有关技术风险

  洲际

  拥有自己的洲际弹道导弹可以说是每个军事大国的愿望,而如果这样的洲际弹道导弹还能够携带有足够突防能力的核弹头的话,基本上就可以算作是极致追求了。

  朝鲜想要拥有自己的洲际弹道导弹的渴望同样非常强烈。在一年时间内,从火星-10(舞水端)单级弹道导弹到火星-12单级弹道导弹再到火星-14二级弹道导弹,最后到如今的火星-15二级洲际弹道导弹,朝鲜完成了4款弹道导弹的研制和试射任务,其速度超过了任何一个国家。

  在了解火星-15洲际弹道导弹之前,我们需要先深入分析一下火星-14弹道导弹,以便弄清楚朝鲜发展火星-15导弹的必要性。

  在小火箭2017年7月6日发布的公号文章《小火箭对朝鲜刚刚试射的火星-14弹道导弹的分析》中,我们聊过:整体来看,火星-14弹道导弹并不能够算作是一款完全从头研制的导弹,而应该被视作是以火星-12单级弹道导弹为基础,在上面添加了一个第二级的二级弹道导弹。

  小火箭的计算结论:

  火星-14弹道导弹能够将400公斤弹头送至6333.5018公里远的地方。

  小火箭计算了4条火星-14弹道导弹的弹道,以便展示该款导弹的覆盖范围。

  小火箭补充一下:媒体上提到的火星-14的射程可达6700公里甚至7000公里的说法,是用极其简化的公式估算的,实际上并不具备实战意义。应当综合考虑弹头携带能力和引入第二级带来的空气动力学和弹体结构方面的变化。因此实际作战使用时,有效射程为6333.5公里

  按照美国标准,这样的射程已经可以称得上洲际弹道导弹了。按中国标准,火星-14弹道导弹应归为远程弹道导弹,尚未达到射程大于8000公里的划分标准。

  (美国标准:射程大于3400英里,也就是射程大于5500公里的弹道导弹可被认定为洲际弹道导弹。)

  从单级的火星-12弹道导弹发展到二级的火星-14弹道导弹,这不禁让小火箭回想起了咱们的发展道路。

  公元1965年3月11日,钱学森博士牵头提出了“八年四弹”的规划。也就是在1965年到1972年这8年的时间内,完成4型导弹的研制。这4款导弹分别是东风2号、东风3号、东风4号和东风5号。每一款导弹的射程基本上都要是前一款的1.5倍至2倍以上。

  在规划中,钱学森博士给出了较为详细的技术解决方案:东风-4号中远程弹道导弹采用两级布局,使用以东风-3号中程弹道导弹为基础的结构作为第一级,加装的第二级采用高空喷管。

  咱们从东风-3号单级弹道导弹发展到东风-4号二级弹道导弹,攻克了高精度加速度计和陀螺仪技术、二级火箭的级间分离技术、二级火箭发动机高空点火技术、远程弹道导弹遥测技术这4项关键技术。

  这一时期的发展,为我国两弹结合试验(导弹+原子弹)和洲际弹道导弹技术以及今后的弹道导弹多弹头技术提供了扎实的基础。东风-4号大量采用东风-3号的成熟技术,使我国在当时的经济水平和技术条件下,快速掌握了二级弹道导弹,实现了质的飞越。

  (小火箭在这里要补充说明一下,两弹一星中的两弹指的是导弹与核弹,一星指的是卫星。这个“两弹”并非是原子弹与氢弹。)

  从弹道导弹型号的对比分析中,小火箭认为,朝鲜的火星-12导弹对应于我们的东风-3导弹,火星-14则对应我们的东风-4导弹。

  那么,从4个月前咱们就在等待的与中国东风-5洲际弹道导弹对应的朝鲜型号,也就终于在2017年11月底向全世界宣告了她的来临。这就是火星-15。

  火星-15是一款全新研制的弹道导弹,从本质上讲,是朝鲜摒弃了过去修修补补和简单添加二级发动机的做法,开始认认真真探究真正拥有足够投掷能力的洲际弹道导弹的成功尝试。

  上图为火星-15洲际弹道导弹发射时的场景。

  比起火星-14弹道导弹1.71米的直径来说,火星-15洲际弹道导弹粗壮了不少,达到了2.21米

  导弹的直径是影响其投掷能力的关键参数。小火箭觉得,只有当导弹的直径大于2.2后,才算是认认真真做洲际弹的态度。

  直径过小的话,即使拥有了足够的射程,但也终究因载荷重量的不足而难以携带足够当量的核弹头。

  朝鲜尚无我国屠守锷老先生这样级别的设计师,因此从火星-14到火星-15的过程中稍微走了一点弯路(当然,朝鲜同行能够在一年内就推出全新设计的火星-15这一点的确惊到了小火箭。)

  补充:上世纪60年代,在咱们准备研制射程更远的弹道导弹时,是屠守锷博士提出要把直径做大,而不要过度追求长径比的设计理念。

  由此,我们的弹道导弹就有了2.25米的设计直径。这个参数一直影响到了今天:长征系列运载火箭中,大量的助推器的直径依然是2.25米。后来我们又有了3.35米和5米这两种直径规格,这就是后话了。

  从火星-15洲际弹道导弹的头部来看,该导弹的确与火星-14形成了代差,具备投掷1吨以上核弹头的能力,同时具备搭载多弹头的潜力。

  有关多弹头,详见小火箭的公号文章《战略导弹多弹头技术的由来与发展》。

  不过,目前看来,火星-15的洲际弹道导弹的射程和1吨量级的投掷重量之间尚有难以调和的矛盾,这个小火箭会在下文通过弹道计算来分析。

  从火星-15弹道导弹发射的照片来看,一级火箭发动机的喷口与弹体直径相比很细小。

  实际上,这是拍摄角度的问题。与朝鲜之前所有的弹道导弹不同的是,火星-15导弹的第一级发动机拥有2个推力室

  而且,没有了游动发动机!

  这意味着,11月29日凌晨的这次试射,标志着朝鲜掌握了摆动喷管技术。(而且是双推力室双向摆动技术。)

  为了便于体会,小火箭再次提起咱们当年的情况:上世纪60年代,我国开始研制更远射程的东风系列弹道导弹的时候,对摆动喷管技术也是非常渴求的。

  但是,为了保险起见,立项时依然采用了摆动喷管技术与燃气舵技术并行的研制方案。

  朝鲜在火星-15上使用摆动喷管技术,这一点也是蛮拼的。在各方压力之下,这样的跨越式大发展令人印象深刻。

  在今年年初,读过小火箭公号文章《对朝鲜舞水端弹道导弹的几点分析》的好友还记得,在火星-10弹道导弹上,朝鲜首次尝试了栅格翼/舵技术。

  小火箭对栅格翼的流场进行了详细计算。

  另外,朝鲜在同一年(也就是今年),开始正式掌握游动发动机技术。

  这是苏联R-27潜射弹道的尾部。作为一款射程为2000公里的潜射弹道导弹,其性能即使在当年也不能算作突出。但是,该弹对游动发动机的引入给弹道导弹的制导与控制带来了一股新风。

  当导弹的重量变得非常大时,单纯依靠燃气舵的控制方式显得有些力不从心了,于是,在主发动机周边布置推力较小但摆动范围相对较大的游动发动机就成了一个比较好的选择。另外,游动发动机的引入对于改善弹道导弹关机点参数有很大的帮助,有助于提高导弹的命中精度

  这是朝鲜火星-12弹道导弹发射时的照片,可以看到在主发动机四周,有4台游动发动机。

  而前两天(2017年11月29日)试射的火星-15弹道导弹的第一级用了摆动喷管技术。

  算上之前的火星-5、火星-6等基于飞毛腿弹道导弹的近程弹道导弹,朝鲜已经掌握了燃气舵、栅格翼/舵、游动发动机、摆动喷管这4大控制技术,而且都已经在试射中得到了验证。

  我们作为火箭与导弹总体设计专业的独立工作室,认为:弹道导弹和运载火箭有5大姿态控制技术。

  除了上述朝鲜已经掌握的4种外,仅剩矢量喷气技术尚未被朝鲜掌握。而该技术与多弹头播撒器在太空中的姿态与轨道控制系统直接相关。

  能够在1年时间内,实现从燃气舵技术到摆动喷管技术的跨越,值得敬佩!

  当然,如果说这些跨越没有外力协助的话,小火箭是有些不相信的。

  从技术同源性的角度去追本溯源,可以发现:

  栅格翼技术实际来自苏联的SS-20弹道导弹。

  苏联SS-20弹道导弹,是一款射程为5500公里,能够携带多枚核弹头的弹道导弹。该弹的尾部采用了栅格翼。(当然,上面这张图把导弹藏在发射筒里了,详见下图吧。)

  这就是遍布SS-20弹道导弹尾部的栅格翼。

  游动发动机技术与苏联R-27潜射弹道导弹有较高的相似性。

  而火星-15洲际弹道导弹的一级发动机本身,小火箭认为与苏联RD-250发动机极其相似。

  这种单发动机双推力室的设计,我们还能够从RD-180发动机上看到。

  正在进行吊运操作的一枚美国宇宙神V运载火箭。注意她的芯一级那1台带有2个喷管的RD-180火箭发动机上面的俄文。

  弹道

  在上图可以看出,从朝鲜的传统发射基地到关岛3400公里,到阿拉斯加州最大的城市安克雷奇5600公里,到西雅图7900公里,到洛杉矶9100公里,到芝加哥10000公里,到华盛顿特区10700公里

  也就是说,只有当朝鲜的弹道导弹的射程超过10000公里,才会对美国全境构成实质性威胁。

  那么,火星-15的能力到了么?

  小火箭从得知火星-15终于试射之后,第一时间启动了计算中心。

  在建模和上千条弹道的反推验证后,现给出弹道计算结果,以此致敬所有关心小火箭的好友和寒冷的夜晚。

  这是我计算的朝鲜火星-15洲际弹道导弹的弹道包络(部分)。

  通过验证,火星-15弹道导弹的最大射程为12801.15公里

  从射程角度来看,的确已经是名副其实的洲际弹道导弹。

  上图紫色细线是我用火星-15打了一条打击美国佛罗里达州东南角的弹道。

  左侧包络的红色粗线是从朝鲜某基地发射,越过北极打到美国东海岸以东的弹道。

  右侧包络的弹道则甚至打到了墨西哥南部。

  由此证明,火星-15洲际弹道导弹的确能够覆盖美国全境,此言非虚。

  这是小火箭给出的火星-15洲际弹道导弹的速度曲线(处理后)。

  详细分析后,我们发现:虽然火星-15洲际弹道导弹的最大射程达到了12801.15公里,但是在这个射程下,其投掷重量仅为152公斤

  究其原因,在于基于RD-250常温推进剂火箭发动机的火星-15洲际弹道导弹的一级推力仍显不足。

  虽然我们从弹道中能够看到朝鲜工程师在提高火箭发动机比冲方面的努力,但是不足330秒的比冲使其投掷能力大为受限。

  在携带1吨重的弹头后,火星-15弹道导弹的最大射程会锐减为6000公里以内。从这个角度来看,火星-15目前尚难以对美国本土构成实质性威胁。

  今后,朝鲜工程师需要对弹体进行进一步优化,以便使火星-15洲际弹道导弹真的能够对美国本土形成打击力量。

  综合考虑,最有可能打击的目标为美国西雅图市,潜在投掷能力为400公斤

  今后就看朝鲜研制核武器的工程师能否将弹头进一步小型化了。

  这是火星-15洲际弹道导弹首次试射的命令。

  不过,火星-15洲际弹道导弹的改进潜力是巨大的。

  发展

  如果按弹道导弹技术发展史来横向类比的话,如今的朝鲜相当于上世纪50年代的美国,相当于上世纪60年代末的中国。

  继续向前发展的话,朝鲜工程师需要进一步提高火箭发动机的性能,并且逐步掌握大推力火箭发动机的自主研发能力。

  在弹道方面,既然朝鲜工程师做了咱们今年年初说到的那两次高抛弹道的测试,那么还剩两项要做:

  一个是压低弹道倾角,至少打一次低伸弹道,同时研究诱饵弹头技术,以便增强导弹的突防能力;

  另一个是打一次携带弹头的半射程甚至是全射程弹道。

  读过小火箭洲际弹道导弹系列文章的好友一定还记得大家一起探讨过的洲际弹道导弹作战效能与打击精度之间的关系。

  在弹载计算机的计算能力不会太强,在尚未掌握激光陀螺光纤陀螺技术的时候,如何能够尽量保证洲际弹道导弹的打击精度呢?

  小火箭认为,可以这样做:在垂直陀螺仪的外环框架结构上,连接一个加速度计。利用这个加速度计的输出信号,来直接反馈给制导环节。

  这样,弹载计算机在关键的加速度和速度方向,免去了进行空间坐标变换的大量计算负担。(因为这个加速度计是跟随陀螺仪外环框架运动的,其信号可以直接积分后拿来使用。)

  上述为减轻弹载计算机工作量的方案。

  但是,这种方案会给陀螺仪外环框架带来附近干扰,大幅增大陀螺仪的偏移率。如果不能有效加以补偿的话,会得不偿失。

  小火箭在这里给出补偿方案:

  (图略)

  如果这样的方案带来的附近运算,依然使得弹载计算机吃不消的话,还可以这样做:

  给陀螺仪转子提速,使其有足够强大的角动量储备,能够靠自身的稳定性来抵御加装加速度计带来的额外误差来源。

  风险

  同样作为导弹与火箭总体设计相关的工程师,我们能够切身体会到朝鲜工程师对于提高火箭发动机性能的那种渴望。

  但是,对于武器型号来说,朝鲜工程师还面临着一个一开始就要求导弹能够车载公路机动的约束。

  在对四氧化二氮/偏二甲肼的燃料的探求之路上,高性能是与高风险时刻伴随的。

  在此,提醒朝鲜工程师一定要注意安全。在追求高性能的同时,严格遵守工程规范,合理合规操作。

  或者反过来说,要谨防火箭燃料生产过程与贮存期间的起火爆炸事故。

  好端端的技术,如果仅仅用于战争的话,小火箭觉得还是比较可惜的。既然掌握了多级火箭的技术,那么再努力一下,就可以拥有一款可以进军国际商业卫星发射市场的火箭了。

  小火箭在这里向朝鲜工程师发出倡议:欢迎朝鲜加入全球太空探索的大家庭。技术应该最终用来造福全人类,用来开拓视野,用来探求新知。

  在此,给出小火箭提出的基于火星系列弹道导弹加上第三级后的运载火箭的方案:

  这就是小火箭对朝鲜火星-15洲际弹道导弹的分析。

  版权声明:

  本文已由邢强博士独家授权小火箭在腾讯刊发,欢迎朋友圈转发。

  微信号:小火箭

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