萌虎鲸:重量远超东风41,朝鲜新“火星炮”有多强?

来源:观察者网

2022-03-28 08:14

萌虎鲸

萌虎鲸作者

喜欢航空航天的小虎鲸!

【文/观察者网专栏作者 萌虎鲸】

终于,2020年庆祝朝鲜劳动党成立75周年的那场独特的夜间阅兵式上压轴出场的重型洲际弹道导弹,在2022年3月24日成功试射。根据朝中社官方汉语新闻稿,这型导弹被称为“火星炮-17”。导弹试射地点位于平壤国际机场附近,采用了高角度发射方式,弹道顶点6248.5千米,射程1090千米,全程耗时4052秒。朝鲜称武器系统的所有参数均按照设计要求准确达标。

“火星炮-17”——外观推测

尽管朝鲜拥有漫长的导弹与核武器开发周期,也研发了多个性能逐渐增强的型号,但作为外界观察人士,所有的信源不得不局限于朝鲜官方媒体释出的,十分有限的信息。这意味着除非可以直接根据官方图片和视频资料判读,所有的分析均是有根据的猜测(即Educated Guess),而非定论。

“火星炮-17”导弹的基本结构推测 图源:萌虎鲸

本次亮相的“火星炮-17”是朝鲜继2017年7月首飞的“火星-14”和10月首飞的“火星-15”两款洲际导弹后开发的第三款可以达到洲际射程的两级液体动力洲际弹道导弹。

根据笔者对朝中社公布的发射照片的观察和测量,该款导弹使用流线型、钝头体的整流罩,导弹二级上细下粗,一级拥有较长不变的直径,约为2.5(±0.1)米。在发动机舱处有扩张的锥形裙边设计,最粗处直径约2.7(±0.1)米。

这种设计在苏联南方设计局的首个作品R-12导弹上也可以见到,其主要目的是通过将导弹气动中心下移,增强导弹在大气层飞行过程中的稳定性,为姿态控制系统减轻负担。发动机的喷管延伸出弹体外约1米,弹体本身的长度约23(±0.5)米,包含发动机喷管则为24米左右。

UR-100N洲际弹道导弹,两级均采用共底储箱和正交网格承力结构,在一级储箱上部采用非规则形状,提高体积利用率 图源:社交媒体

仅仅从尺寸体积上,与它最为接近的是苏联中央机器制造设计局于1970年代早期为替换老式的UR-100(北约代号SS-11“赛果”)导弹而研制的UR-100N(北约代号SS-19“匕首”)洲际弹道导弹。

它的“三围”和“火星炮-17”几乎完全一致——长约24米,直径也刚好2.5米。UR-100N的起飞质量为103-105公吨,根据美苏军控谈判交换的数据,UR-100N的投掷质量可达4350千克(此投掷质量包含导弹的末修正级,即PBV),射程为10000千米,可携带一枚500万吨的单弹头或6枚55-75万吨的分导核弹头,最大误差为920米。

“火星炮-17”和UR-100N同为两级液体燃料洲际导弹,但前者前部采用直径不断缩减的设计,容积率不如后者;且UR-100N作为苏联第三代弹道导弹采用了先进的合金材料和共底储箱、压缩级间段等多种提高干质比的设计,其燃料占全弹的比重高达92%。

朝鲜很可能达不到这样的技术。“火星炮-17”起飞质量的合理估计应当在90至100吨之间,其弹体空间利用率不及UR-100N,故起飞质量略轻。

发动机燃烧室点火前燃气发生器的预先点火,这是燃气发生器循环火箭发动机的典型特征 图源:朝中社

“火星炮-17”是明显的两级导弹,这可以从其弹体侧面的线缆通道判定出来。尚不确定该弹是否有末助推级——一种在弹头下方用来补速增程并分配多弹头的“第三级”。如果真的加上了这样的装置,那么该弹就会具备MIRV(多重分导再入大气层载具)能力。目前为止,美日负责监测朝鲜导弹的雷达并未报告存在多弹头目标,我们姑且认为“火星炮-17”尽管具备升级为分导导弹的潜力,眼下还不具备这一现代洲际导弹必备的特征。

另外,导弹的一级长度至少是二级的四倍,燃料储箱部分的长度差距很可能更大,再加上二级储箱部分的平均直径小于一级,这意味着一二级的满载质量可能存在6-6.5倍的差距。这比其他国家的液体导弹级间质量比要大不少。

尽管在洲际导弹和运载火箭设计中,级间质量分配没有一个标准的设计,但如果级间质量差距过大,可能会造成重力和阻力损失较大的情况。“火星炮-17”之所以要这样设计,可能与二级发动机的推力较小有关。但迄今为止没有任何二级发动机工作或试车的资料流出,所以这纯粹是猜测。

在醒目的黑白交错格子涂装的导弹二级上方是导弹的弹头部分。这里存在两种可能,一是白色的头部部分为一巨大的整体弹头,和弹体分离后便以现在的外形直接再入大气层。另一种可能是整流罩,弹头处于整流罩的保护中,当导弹飞离大气层后整流罩便会脱落。

个人认为其是整流罩的可能性更大一些,一来是下沿环绕着一圈引人注目,大小不一的开口,推测可能是抛罩用的固体火箭发动机。二来是整流罩和小弹头的设计比较符合现代洲际导弹强调突防能力的设计理念,未来升级MRV或MIRV也更方便。

2020年阅兵式上展现的“火星炮-17”洲际弹道导弹

运载“火星炮-17”的是一型独特的11轴TEL(运输-起竖-发射一体车),这和“火星-15”运载车不具备发射能力有很大的不同。朝鲜这一型TEL和中俄的同类产品相比,轮径明显更大,重心更高,速度也更慢,一切似乎都指向其超高的吨位:笔者估计其战斗全重可能超过165吨。在视频中,导弹发动机喷出的火焰对TEL造成了严重的烧灼,估计在每次发射后都要进行工作量不小的维护。

独一无二的机动重型液体洲际弹道导弹

在“火星炮-17”之前,存在过机动液体导弹的设想,也存在过重型机动导弹方案,但从未有人把这两者结合在一起……

中国在东风四号远程弹道导弹研制成功后,于1973年下半年提出研制两级可储存液体燃料动力的洲际弹道导弹东风-14,其起飞质量约30-40吨,可将700千克的弹头投掷到8000多千米的距离上。1978年该项目改名为东风-22,直到上世纪末决定专心发展固体洲际弹道导弹才被终结。

机动的液体导弹远比固体导弹更危险,当运输过程中出现储罐的磕碰,很有可能导致燃料的泄露。而可储存肼类燃料的特性是当氧化剂和燃料接触时,就会发生自燃。美苏类似燃料的导弹在潜艇和地下井中都曾发生过因为泄露导致的爆炸(苏联K-219潜艇灾难和美国大马士革泰坦II爆炸事故),更别提更易发生磕碰的机动部署了。

RT-23 UTTH的公路机动版本Celina-2的TEL模型,尽管性能强大,但可行性和生存性十分低下

而把超大质量(起飞质量大于80吨)的洲际导弹机动起来也存在方案,这就是苏联80年代Celina-2计划,将起飞质量近105吨的三级固体洲际弹道导弹RT-23 UTTH(北约代号SS-24“手术刀”)用白俄罗斯明斯克汽车厂生产的MAZ-7907超重型运载车进行公路机动。

MAZ-7907拥有12轴24轮,全重250吨,最大载重量150吨,使用1250马力的燃气轮机作为动力,最高时速24千米/小时。不过苏联设计师很快发现,对于这么重的导弹来说,地下井和铁路机动显然更加适合,于是最终取消了该计划。

重型、液体导弹和机动,这三者好似不可能三角,然而朝鲜却奇迹般地将他们同时“实现”了。表面上这是“武德充沛”,其实背后凸显着朝鲜技术路线选择上的无奈。

火箭航天伟大的先驱——谢尔盖·科罗廖夫曾经说过,液体燃料适合航天,固体燃料适合导弹。朝鲜当然想发展更安全可靠的固体洲际导弹,然而固体火箭发动机尽管看起来远比液体发动机简单,但实际上它更注重工艺,而工艺的研发无可避免地需要大量试验,朝鲜作为经济困难的国家,其大型固体发动机的研发进度无法保障洲际导弹的政治需求。

但同时,我们也看到了朝鲜正在潜射弹道导弹上快速推进固体路线,所以庞大臃肿的“火星炮-17”很可能不是朝鲜洲际导弹发展的终点。

动力——乌克兰的影子?

2017年11月28日发射的“火星-15”洲际弹道导弹据说使用了一台推力为788千牛的,被西方人称作是“白头山”的液体火箭发动机。根据朝鲜发布的导弹飞行视频和相关发动机试车视频,可以发现该发动机从结构上非常类似于苏联格鲁什科设计局为R-36洲际弹道导弹设计的一级发动机RD-250。同样是涡轮泵中置、双推力室、燃气发生器设计,甚至连冷却管路设计和涡轮废气排放口都几乎一模一样。

自2013年,就不断有报告指出,位于乌克兰的南方设计局和南方机械制造厂——即R-36导弹的研制生产方——有协助朝鲜发展导弹的动力系统的迹象,这些行为甚至引起了联合国的注意。不管朝鲜液体火箭动力发展上有没有获得过外界的帮助,“火星炮-17”的出现显示他们已经掌握了肼类燃料发动机技术。

火星-14、15和火星炮-17,请留意它们的一级发动机,火星-14采用单机+4台游机,火星-15采用了单台双室发动机,火星炮-17则可能采用了两台双室发动机

国内外一些分析人士认为,“火星炮-17”使用了17年“火星-15”的发动机,双机并联为导弹一级提供动力。笔者不这么认为,仔细观察就会发现,“火星炮-17”的发动机存在完全不同的涡轮废气排气管结构,且单推力室推力要明显小于“火星-15”的发动机。根据对发射视频的估计(假设视频没有被人为放慢的话),“火星炮-17”的起飞推重比在1.2-1.4之间,即便以最大估计,单推力室推力不会大于35吨。

结合不再显著可见的涡轮泵废气,我们有理由相信,朝鲜使用了一套全新开发的发动机,它采用红烟硝酸-偏二甲肼或者四氧化二氮-偏二甲肼推进剂组合。若不是在视频开头笔者看见了涡轮泵启动的排气,该发动机甚至存在使用分级燃烧循环的可能性。

此外,和17年的“火星-15”一样,全弹既无任何空气舵面,也没有看见RCS系统工作的迹象,亦不存在游动发动机,朝鲜显然已经熟练掌握发动机整机摇摆矢量控制系统。

置于运输与发射容器的UR-100导弹模型,对照右边的结构图,可以理解其一级储箱上部的凹陷形状是为了提高容积利用率

2021年9月,朝中社发表新闻称朝鲜进行了“火星-8”高超音速导弹试射,在新闻中特别提到“确认了第一次采用的安瓿化导弹燃料系统的稳定性”。所谓“安瓿化”实际指的是导弹在出厂时就进行液体燃料的加注并封装,在导弹运输、储存和部署时无需重大维护,随时可以点火发射。

这项技术最早由苏联第52试验设计局(切洛梅设计局)第二分部为UR-100导弹开发,其核心技术是使用全充氮、AMG-6合金制成的运输与发射容器,使用焊接的储箱密封和特殊的膜片来隔绝腐蚀性燃料及其蒸汽。这使得导弹可以在充满燃料的状态下等待7至10年(改进型UR-100N UTTH导弹保质期可达33年),在这期间随时可以发射,无需做繁琐的准备工作。

而作为机动发射的“火星炮-17”显然非常需要这一朝鲜已经在中小型导弹上掌握的技术,笔者开始也认为该导弹可能采用了安瓿技术出厂即封装燃料,直到在朝鲜中央电视台的视频中发现了导弹准备区域存在的燃料加注设施。

即便如此,“火星炮-17”仍然有可能和某大国的某型战略导弹一样,在加注燃料后,具备几个月的待命时间,在此期间随时可以发射。过期之后,需要将燃料抽出,导弹报废。

投掷性能估算

“火星炮-17”的粗壮和庞大使得它牢牢占据了世界洲际导弹界“重型”的位置,仅论起飞质量,它超过了美国所有的固体洲际核导弹,也远在中国的东风-31A、41,俄罗斯的白杨-M、亚尔斯等现役陆基机动核导弹之上。

根据齐奥尔科夫斯基公式,当确定了各级导弹的质量比(即各级初始质量和发动机关机分离时的质量的比值,可以大致认为其中的差异在燃烧掉的燃料质量)和比冲后,我们就可以估计出在给定投掷质量下的关机速度,从而得出对应的射程,反之亦然。尽管我们对“火星炮-17”的各级精确的质量比和发动机比冲数据一无所知,但可以根据经验,对照他国导弹不同阶段的发展,做一个粗略的估计。

导弹从朝鲜本土起飞时射程分别为10000、11000和13000千米时,所覆盖的范围(红色区域)

关于各级质量比和发动机平均比冲,笔者给出最佳和最差两种估计,再把两者数据取中点做一个一般性估计。最差估计对应着比中国70年代、苏联50年代ICBM更弱一些的技术水平;而最佳估计则对应着最优秀的弹体质量比和肼类燃气发射器循环火箭发动机能到达的极限。

为了给读者以直观的技术对比,我还添加了两型用于对照的洲际导弹:中国于70年代研制的东风五号基本型,它同为两级液体导弹,起飞质量要大很多;美国于80年代研制的固体三级导弹,LGM-118 “和平卫士”,它的起飞质量比“火星炮-17”稍轻,但代表着固体导弹的最高水平。笔者计算了三种射程的最省能量弹道的投掷质量,注意这里不考虑末助推级。从朝鲜本土起飞,10000千米对应着覆盖美国西海岸的全部城市,11000千米对应着覆盖美国首都华盛顿,13000千米对应着完全覆盖美国本土。

“火星炮-17”的投掷能力同一些主流洲际弹道导弹对比 图源:萌虎鲸

根据计算结果,“火星炮-17”的洲际射程投掷能力在1-2.8吨之间。得益于其较重的起飞质量和液体燃料天生的优良性能,即便是最糟糕的估计,“火星炮-17”也足以把1.35吨的弹头投送至美国首都,在一般性能的估计下,甚至可以将超过1.7吨的弹头覆盖美国本土的每一寸土地。

尽管我们对朝鲜核武器小型化的能力并不清楚,但这个投掷性能对美国产生威胁是完全不成问题的。笔者还对一些朋友感兴趣的导弹改运载火箭发射卫星的能力进行了计算,从北纬38°起飞,一般估计下的朝鲜洲际导弹可以将1236千克的卫星送入200千米的低地球轨道(LEO)或是740千克的卫星送入500千米的太阳同步轨道(SSO)。这样的理论运载能力超过了当今很多小型运载火箭,如果有一天朝鲜将此弹改为运载火箭发射卫星,完全在情理之中。

值得注意的是,二级的比冲性能对导弹投掷能力的影响极为巨大,特别是速度增量要求较高的远距离投射或是发射卫星,从图表上可以看出,起飞质量远大于“火星炮-17”的东风5号在发射高速度增量需求的轨道时,运力下降十分明显。所以对于朝鲜导弹二级的估计非常影响投掷能力的计算准确度,遗憾的是这一块却是信息黑洞。

2017年和2022年朝鲜两次洲际导弹试射的实际弹道

根据西方智库将24日试射的高抛弹道展开后计算,“火星炮-17”在正常弹道下至少具备15000公里的射程,其关机速度至少达到了7.5千米/秒,这意味着首次试射的载荷重量适中,根据不同的导弹性能估计,可能在1-2吨左右。

生存性迷思

有了合格的投掷性能只是洲际弹道导弹成为核威慑的第一步,处于敌方高度发展的复合打击手段下的洲际导弹,快速反应能力、穿透能力、高生存性、扛核加固能力甚至数量,都是建立真正意义上的核威慑必不可少部分。

更为残酷的是这些性能是一点短板都不能有,否则很容易被强大的对手对症下药,以小得多的代价击破倾举国之力构建的核威慑。比照中国发展核威慑力量过程的漫长和艰辛,朝鲜想建立可靠的二次核反击力量还有非常长的路要走。这里受制于信息和篇幅,我们重点来讨论以下生存性问题。

比导弹更重要的是其部署方式,陆基洲际弹道导弹的部署主要有以下几种方案:加固发射井、非加固发射井预警发射、洞库+TEL、公路机动TEL和铁路机动发射。尽管我们不知道“火星炮-17”究竟会不会作为一款武器实际列装朝鲜的作战部队,但就其特性,可选择的部署方式非常有限。

发射井和预警发射显然不适合朝鲜,它们都既有数量要求又有技术挑战,以朝鲜的经济和技术能力完全不现实。更别提发射井通常适用于拥有广袤国土纵深的国家。公路机动和铁路机动同样对早期预警能力和国土纵深有要求,朝鲜也明显不符合要求。 “火星炮-17”加上11轴TEL的重量,对任何一个国家的路网都是一场灾难。排除了所有可能性后,唯一剩下的选择便是洞库部署了。

MX 和平卫士导弹部署方案讨论中的加固隧道方案与洞库部署有异曲同工之妙,其最大的问题是反应速度慢,和不靠谱的掘进机械

所谓洞库部署,便是利用朝鲜山地丘陵地带多的特性,在山中挖出洞库,用多个长长的隧道与山底的出口连接,导弹连同TEL平时呆在洞库的深处,敌方大当量核武器也无法直接击毁。如果敌方攻击隧道入口,一来隧道数量可以很多,可以用低廉的成本消耗敌方弹头,二来即便隧道口被炸塌,己方可以通过从内部挖掘疏通隧道,推出导弹至预设阵地并发射。这种方案合理利用朝鲜的地形优势,而且对导弹运输平台的机动性要求很低,似乎很适合“火星炮-17”的部署。

然而,随着美国及其盟国在卫星情报体系和精确制导常规武器上的进步,洞库部署方案也存在明显的缺点。首先,洞库修建是庞大的土木工程,几乎不可能逃脱卫星的侦察。其次由于朝鲜战略纵深短浅,国土离海岸线近,洞库隧道口处于敌方大量常规精确制导武器的打击下。甚至敌方在局势紧张时派遣无人机在洞库口,一旦发现导弹推出,就可以立即发动攻击击毁导弹。

朝鲜的潜射弹道导弹,也就是“北极星-4S”

曾经有人说“拥有广袤纵深的大国才玩得起陆基核威慑”,本土狭窄的英国法国在尝试了陆基导弹后,纷纷转向海基核力量,就是一个典型例子。对于朝鲜来说,核潜艇加潜射弹道导弹几乎可算得上是唯一的可靠选择了。

然而,核潜艇和海基导弹奇高无比的研发难度和资金需求让朝鲜望而却步,尽管他们已经尝试在常规潜艇上走这条技术路线,并开发出一系列“北极星”潜射导弹,但前景并不明朗。

核威慑是大国的玩具,朝鲜想加入这个俱乐部,拥有核武器和投射工具最多只算是获得了钥匙,前方的路还很长很长……

本文系观察者网独家稿件,文章内容纯属作者个人观点,不代表平台观点,未经授权,不得转载,否则将追究法律责任。关注观察者网微信guanchacn,每日阅读趣味文章。

责任编辑:王世怡
朝鲜 火星炮17
观察者APP,更好阅读体验

专题

朝鲜现状

朝鲜或在未来两个月核试验?中方表态

2022年09月28日

朝鲜向东发射2枚导弹,美航母正在韩东部海域演练

2022年09月28日

作者最近文章

03月28日 08:14

重量远超东风41,朝鲜新“火星炮”有多强?

风闻24小时最热

网友推荐最新闻

“美国正吸走制造业,给欧洲留下永久伤痕”

扎哈罗娃:拜登有义务给出回答↓

为争取各国一致制裁俄油,欧盟让了一步

“美国正吸走制造业,给欧洲留下永久伤痕”

外交部:中方要求作出解释,但美方一直沉默

谁是幕后黑手?各方众说纷纭

中方:当务之急是尽快打开乌克兰问题政治解决的大门

前所未有!北溪管道发现3处“神秘泄露”