“火星”

从本质上看,“火星-15”洲际导弹是“火星-13”技术基础上的完善版本。

“火星-15”导弹的二级发动机与“火星”-13二级非常相似

“火星-15”导弹的二级发动机与“火星”-13二级非常相似

陈友龙/文

引言

2017年11月29日凌晨3时17分许,朝鲜在平安南道平城市一带向半岛东部海域试射了一枚“火星-15”型洲际导弹,其弹道顶点高达4500千米,再次刷新朝鲜导弹飞行高度记录。美国忧思科学家联盟的全球安全项目主管莱特估计,若朝鲜以普通角度发射,导弹射程可达13035千米,这意味着包括美国首都华盛顿在内的全美所有城市都在前者打击范围内。那么这些判断的根据是什么呢?朝鲜的“火星-15”导弹技术究竟是他们自力更生的产物,还是像某些人谣传的走私而来的呢?下文将为您分解。

2017年阅兵式亮相的朝鲜版白杨的发射筒内装的很可能是“火星”-15 导弹,两者长度很接

2017年阅兵式亮相的朝鲜版白杨的发射筒内装的很可能是“火星”-15 导弹,两者长度很接

从“火星”-12到“火星”-15导弹的技术沿革

“火星”-12(美国编号为KN-17)是“火星”-15导弹的技术基础.。仔细计算后,可以发现“火星-15”的重量正好是30吨级的“火星-12”的两倍左右,推力也接近两倍。“火星”-12导弹在今年的“太阳节”阅兵式上亮相时,曾被认为是“火星”-13 的改进型,其弹头外形与“火星”-13导弹一模一样,但是弹体直径明显更小。“火星”-12导弹长度在17米左右,根据导弹长径比,主流观点认为其推进剂贮箱直径约1.6-1.7米,发动机舱尾部直径约1.8米。为了保护底盘不受导弹发动机烈焰灼伤,该车两侧增加了防护挡板,导弹发射架下也有导流槽,将火焰向两侧引开。导弹尾部没有尾翼,而是采用类似于苏联SS-5导弹的筒裙体设计,筒裙体可为发动机提供更多的布置空间,在气动性能方面,有助于提高导弹飞行的稳定性。值得注意的是在“火星”-14发射成功后举办的NK演唱会上,背景图片暗示“火星”-12导弹并非第一次发射就取得成功,而是进行过至少3次发射。

5月14日发射的火星-12,注意其衣着

5月14日发射的火星-12,注意其衣着

不明时间发射的火星-12

不明时间发射的火星-12

地下坑道中隐藏的火星-12导弹

地下坑道中隐藏的火星-12导弹

不明时间发射的火星-12,可能是去年底

不明时间发射的火星-12,可能是去年底

不明时间发射的火星-12

不明时间发射的火星-12

“火星”-12导弹的双锥形战斗部尾部还有一小段圆柱体形状的末助推级(PBV),上面有液体燃料和氧化剂注入口,配有小型姿控发动机,可在一级分离后,进行速度修正。在PBV之后,可以看到环绕弹体的4个小型反推火箭,用于在一级分离后,给弹体减速,避免其干扰弹头飞行轨迹,也有助于头体成功分离。

火星-12 的PBV液体燃料注入口

火星-12 的PBV液体燃料注入口

从电缆槽和加强肋设计来看,其第一级发动机不再是采用潜入式设计,这是其区别于“火星”-13导弹的最鲜明特征之一,简化了导弹设计的复杂性,提高了可靠性。从导弹的飞行高度、关机速度和尾焰中的马赫环判断,“火星”-12导弹的推进剂也是偏二甲肼和四氧化二氮。据估计其发动机海平面比冲达270(S),真空比冲302(s),仅靠单级发动机就将弹头送至2111千米高空,而之前“火星”-10的高弹道试验的顶点高度为1400多千米,这也间接说明“火星”-12拥有较低的结构重量比和更大的推力。为了获得这种性能,助推器的结构质量必须降低到总助推器质量的7%。而R-27导弹的结构重量比为接近10%。这也是为什么“火星”-12 导弹直径与“火星”-10相当,但是长度却多出5米左右的原因。导弹的最大飞行速度可达5.2千米/秒,高于“火星”-10 的4.5千米/秒,相应的其最大射程据称超过4100千米,足以覆盖离朝鲜3400千米外的关岛美军基地。从其推进剂贮箱加长到大约R-27导弹的两倍来计算,“火星”-12导弹的重量可能有28-30吨,再加上朝鲜发射的视频中“火星”-12发射加速度大于1.8G,可以判断其发动机推力为50-54吨左右,与苏联R-29潜射导弹处于同一水平。有趣的是“火星-12”的发动机工作时间也“火星-10”一样都是150秒左右,推力也几乎是其两倍。

“火星”-14导弹采用两级火箭设计

“火星”-14导弹采用两级火箭设计

“火星”-12(美国编号为KN-17)是“火星”-14导弹的技术基础

“火星”-12(美国编号为KN-17)是“火星”-14导弹的技术基础

早期的“火星”-14导弹模型,可以看到脱掉小黄帽后的弹头构造

早期的“火星”-14导弹模型,可以看到脱掉小黄帽后的弹头构造

“火星”-14导弹的长度约19米,比“火星”-12略长。由于“火星”-12一级弹体的结构重量比已经非常低,如果直接加第二级,弹体就会更为细长,结构会更脆弱,不利于导弹加注燃料后载车机动。因此,在“火星”-14上,将“火星”-12助推级缩短约1.5-1.7米,采用更短的弹头,增加了一个长约2.5米的第二级推进剂贮箱,其长度与“银河”-3号火箭或KN-08的第三级相当,但是直径较为接近KN-08导弹的第三级。导弹飞行过程中,弹载摄像机可以实时将飞行视频传回地面,供地面分析,这点在朝鲜发射运载火箭和试射新导弹中都可以看到。据分析,加装第二级后,导弹的最大飞行速度达到6.2千米/秒,比“火星”-12导弹射程更远。根据现有信息判断,导弹的第二级可能不是R-27导弹的一台主机加2台游机的布局,而是采用最新设计的双燃烧室的小型摇摆姿控发动机,推力约3-4吨。

火星-12和14的一级都是推力50吨-54吨的318革命发动机

火星-12和14的一级都是推力50吨-54吨的318革命发动机

“3•18革命”发动机为NK洲际导弹开发奠定技术基础

“3•18革命”发动机为NK洲际导弹开发奠定技术基础

电脑显示屏显示“3•18革命”发动机大约工作了150秒

电脑显示屏显示“3•18革命”发动机大约工作了150秒

“火星”-14导弹起竖在发射台后,8轴运载车离开,避免被火焰烧伤

“火星”-14导弹起竖在发射台后,8轴运载车离开,避免被火焰烧伤

“火星”-14导弹的发动机尾焰可见马赫环

“火星”-14导弹的发动机尾焰可见马赫环

火星-14 的第二级,使用双燃烧室姿控发动机

火星-14 的第二级,使用双燃烧室姿控发动机

NK官方媒体首次提到导弹采用了“碳素复合材料”来制造端头高性能防热材料。据称弹头“在再入大气层时数千度的高温和恶劣的超负荷及震动条件下,战斗部尖部的内部温度稳定地保持在25~45度范围内,核弹头爆炸操纵装置正常工作,战斗部没有遭到任何结构性破坏,精确地打击了目标水域。” 果真如此的话,“火星”-14的再入飞行器隔热层需要经受6000摄氏度的高温,对弹载电子系统的抗过载能力也提高要求。如果弹头真的在预定地点成功起爆,则说明NK已经具备对6000千米外目标(如美国阿拉斯加州)进行打击的能力。美韩专家认为,如果导弹被发射到一个更有效的轨道,它将达到6700到8000千米的射程。7月28日晚上那一次,虽然弹头再入时被日本人拍摄到视频,但是对于弹头是否“存活”还存在争议,因此需等美国方面公开更新的情报资料,才能做判断。“火星-15”就是在“火星-14”成功的基础上开发而来。

火星-14导弹的可能射程范围图

火星-14导弹的可能射程范围图

“火星-15”的技术解析

从发射图片可以判断,“火星-15”是一种二级液体燃料洲际弹道导弹,导弹的第一级只有两个直径约76厘米的摇摆发动机喷口,由于控制技术提高,因此取消了“火星”-12、13、14导弹的4推力室小型摇摆发动机,相对“火星-13”的二主机加4辅机的配置来说,减轻了很多,至少节省了100千克的重量。朝鲜官媒称,此次试射“验证了经过中间飞行区段姿势操纵及速度校正的命中准确性(暗示存在PBV)、利用推力矢量控制的大功率发动机(一级)和比推力高的发动机(二级)的动作正确性,以及相应的制导及稳定化体系设计参数的正确性。”因此关键的问题就来了,朝鲜所说的“大功率发动机”和“比推力高的发动机”分别指的是什么?它们的技术性能又如何呢?只有理清这两个问题,才能对朝鲜洲际导弹发展路线有一个比较清晰的认识,而非只靠猜测和把朝鲜国产“318革命”发动机与乌克兰RD-250/251发动机的简单类比就能解释清楚的。此次“火星-15”一级发动机的成功,本身就等于是跟外界说:你们都不要瞎猜什么朝鲜是走私乌克兰发动机才搞出洲际导弹的啦,朝鲜的国产发动机跟乌克兰没有直接的关系,而且你们仔细瞧瞧,我们的国产发动机比乌克兰那个RD-250/251不知道先进多少倍!此次朝鲜特意提到“ 利用推力矢量控制的大功率发动机”这一前所未有的技术突破,就是针对外界疯传的“走私乌克兰发动机说”所做的间接反驳。

火星-15和火星-14的对比,除了尺寸扩大,最大的不同是一级取消了游机。

火星-15和火星-14的对比,除了尺寸扩大,最大的不同是一级取消了游机。

“火星-15”一级只有两个直径较大的摇摆喷管,而乌克兰RD-250主喷管是固定的

“火星-15”一级只有两个直径较大的摇摆喷管,而乌克兰RD-250主喷管是固定的

NK在7月4日曾宣布成功发射“火星”-14导弹

NK在7月4日曾宣布成功发射“火星”-14导弹

那么,“火星”-15至关重要的一级发动机是从何而来的呢?目前主流的观点是,这是由两台“火星”-12/14导弹的一级主机并联而成。由于“火星”-12已经进行过3次公开的飞行试验,此前还有至少3次失败的飞行试验(被某人污蔑为是“火星-10”的失败),而“火星”-14也进行过一次昼间发射试验和一次夜间发射试验,也就是说这种创新国产“318革命”发动机的表现还是比较令人满意的,成功率颇高,比“火星-10”的潜入式发动机的试射成功率(已知6次试射中,1次完全成功,一次部分成功)高很多。在采用高成功率的“318革命”发动机后,“火星-15”的首次试射就基本成功,这是非常难得的。使用已经验证过的发动机来装备“火星-15”也更符合常理。因此我们就可以通过对“火星-12/14”的剖析来间接计算“火星”-15的一级推进力。

“火星-12/14”两款导弹的第一级助推器都是用了今年3月20日NK国防科学院新研发的“318革命”大功率发动机。主发动机喷口周围布置4个和R-27导弹相似的小型辅助姿控发动机喷口,推力50-51吨左右,扣掉两台R-27的双室摇摆发动机后,主发动机推力为46吨,大于RD-250的单燃烧室。从NK官方发布的图片来看,“火星”-14导弹其实是以“火星”-12作为第一级,再加上KN-08(“火星”-13)导弹的第三级,构成了一款新型二级液体洲际导弹,其两级分离和头体分离设计明显借鉴了“银河”-3号火箭和“火星”-13导弹。美国人后来公布的消息称,导弹一级在130千米高度分离,发动机工作时间为145秒,二级在750千米高度分离,燃烧时间为233秒。弹头在再入大气层后,成功“存活”到至海平面1千米的高度,这意味着导弹可搭载NK第5次核试验中的2-3万吨当量的核弹头,打击6000千米外的目标。 7月28日晚,NK第二次发射“火星-14”导弹, 导弹弹道顶点高度提升到3724.9千米,飞行距离998千米,用时47分12秒,正确地落到公海上的目标水域。采用最佳弹道时,最大射程可达1.04万千米。一级燃烧时间为151秒,与上次相比,延长了燃烧时间,二级为224秒,主要是提高推力,减少速度损失。其中一级的燃烧时间与318革命发动机测试时所用的时间相吻合。 另外,要指出的是,“火星-12”的弹头和气动布局的设计明显是参考了“火星-13”导弹,不仅弹头一模一样,而且主发动机推力也处于同一级别。参考SS-N-6导弹的数据,可以推知KN-08/ “火星-13”导弹的燃料为偏二甲肼,氧化剂为四氧化二氮,两台主发动机推力为46吨, 两个双室摇摆发动机的推力为6吨,这样一来,导弹的起飞推力达52吨。考虑到“火星-13”的一二级弹体直径明显大于“火星-14”,虽然两者长度一致,但是“火星-14”的起飞重量降为34-35吨左右,比“火星-13”的40吨级轻了许多,相应的其起飞加速度可以更快,朝鲜后来公开的“火星-14”发射视频也证明其发射加速度与外界计算的导弹推重比数据相吻合。有趣的是苏联R-29潜射导弹的起飞重量33.3吨,可将1100千克重的弹头投送至7800千米远,试验中最大射程可达9 080千米。,其一级推力达到了50.98581吨,另外还有四个摇摆发动机喷口来控制飞行航向。也就是说,“火星”-14的推重比和投掷能力与R-29导弹非常相似,只不过R-29导弹各级都用共底式推进剂贮箱和潜入式液体火箭发动机,没有箱间段和级间段,导弹长度控制在13米左右,而“火星-14”的弹体直径较小,长度也超出许多,因此需要8轴运载车。以前我们分析“火星-13”导弹时曾提到过,朝鲜曾模仿R-29的设计,开发KN-14导弹,该导弹在15年的阅兵式上亮相过。而“火星-15”的气动布局与“KN-14”也最为接近。

火星-15可以看做火星-13 的推力增强版本

火星-15可以看做火星-13 的推力增强版本

火星-13一级采用双发并联设计,在火星-15上将这两台主发动机改为非潜入式换了涡轮泵

火星-13一级采用双发并联设计,在火星-15上将这两台主发动机改为非潜入式换了涡轮泵

现在可以判断,“ 火星”-15其实是在15年阅兵式亮相的KN-14导弹的完善版,弹体直径相当都有2米,略微扩大。之前一级的两台的4D10潜入式发动机被两台推力矢量控制的“ 318革命”发动机所取代,总推力80吨以上(最高估计可达90吨),最大的进步是取消了游机,减轻结构重量。二级改成新开发的推力矢量发动机,射程轻松超过1.2万千米。值得一提的是“ 318革命发动机”的喷口直径与R27导弹也就是火星10的发动机喷口直径也非常接近,虽然燃烧室被挡住,但是可以发现其发动机膨胀比也和R27接近,它的尺寸比80吨级发动机小多了。这个发动机其实就是火星10发动机重新拆解后改进而来。燃烧室,喷管进行加强后换装可能来自乌克兰RD251的涡轮泵重新设计而来,也就是说除了借鉴乌克兰原版的相关技术,生产还是立足朝鲜国内,已经是国产化。本来R27导弹的4D10潜入式发动机的涡轮泵在燃烧室上方,现在改成放在燃烧室侧面,可以降低发动机高度,也方便并联成单泵双燃烧室的新型发动机。 2017年3月朝鲜测试该发动机时,特别提到:新型大功率发动机地上点火试验的目的是为了验证燃烧室的推进力特点,涡轮泵装置、控制系统、各种阀的动作正确性,结构稳定性和可靠性等大功率发动机的整体技术指标。重点提到新型涡轮泵的作用。 由于喷管直径与火星10接近,因此318革命发动机可以装进弹体直径与火星-10相当的“火星-12”导弹内部,而双发并联后造出来的“火星-15”导弹直径也与火星13一样,都是2米左右。火星13一级就是双发并联,从潜入式改成常规布局后,推力大增,解决了之前推重比太小的问题。在一二级换发动机之后,弹体整体长度比“火星-13”增加了2米左右,因此原来的8轴车改成9轴,以适应导弹长度拉长的变化,导弹整体长度与之前估算值相接近,21米左右。韩国国防部公开的分析数据也与此接近。弹体重量也增至50-60吨级别。美国“38NORTH”专家的初步计算结果显示,认为“火星-15”导弹重约40-50吨,一级推力80吨,可将1吨重的弹头投送至美国本土任何一个地方。

美国“38NORTH”专家对“火星-15”导弹的分析报告

美国“38NORTH”专家对“火星-15”导弹的分析报告

R27导弹的4D10潜入式发动机

R27导弹的4D10潜入式发动机

R27导弹的4D10潜入式发动机

R27导弹的4D10潜入式发动机

R27导弹的4D10潜入式发动机

R27导弹的4D10潜入式发动机

美国导弹专家诺伯特·布鲁日表示,该导弹共两级,其中第一级使用一台由朝鲜自行研制的性能类似RD-250的液体推进系统。该系统由两个燃烧室组成,并由普通涡轮泵输送推进剂来增强起飞推力。根据朝鲜发布的官方声明,该系统据具有速度校正和矢量控制能力,减少对以前各型导弹所使用的转向引擎的依赖性。相比“火星-14”,“火星-15”所使用的新型推进系统在推力方面提高170%。“火星-15”携带约40吨液体燃料,足以用于139秒的燃烧时间。朝鲜新型洲际弹道导弹类似于上世纪60年代美国的“泰坦-2”洲际弹道导弹。韩国国防部的资料也确认“火星-15”为新型洲际弹道导弹。从飞行特征(最高飞行高度、速度、火箭分离)和外观(第1和第2级火箭大小、9轴自行发射车)来看,该导弹为洲际弹道导弹(ICBM)级别。导弹飞行试验成功,若按正常高度发射,导弹可飞行1.3万公里以上,即射程覆盖美国首都华盛顿。不过,该导弹是否实现重返大气层、末端精确制导等还需进一步分析。“火星-15”与“火星-14”相比,导弹和移动发射车长度均加长2米,第1和第2级火箭长度均加长1米,直径分别加长0.4和0.8米。1级火箭发动机与2个“火星-14”发动机相连。2级发动机(推力)则是“火星-14”(二级发动机推力)的3-4倍。考虑到“火星”-14导弹长约19米,一级直径约1.7米,二级直径约1.3米,可以推算出“火星-15”长约21米,一级直径约2.1米,二级直径与一级相等。参考东风三号的数据,可以判断其重量在60吨左右。

外国分析人士发现“火星”-15 导弹的真弹头其实藏在庞大的整流罩内

外国分析人士发现“火星”-15 导弹的真弹头其实藏在庞大的整流罩内

“火星-15”导弹的9轴发射车

“火星-15”导弹的9轴发射车

“火星-15”导弹采用两级设计

“火星-15”导弹采用两级设计

朝鲜发布的高清视频透露了很多信息,首先一级燃烧时间长达130秒,视频中可以看到一二级分离画面,分离方式可能与北极星2导弹相似,爆炸螺栓和二级点火几乎同时进行,把一级抛掉。电脑屏幕有表示一二级发动机工作时间的线段,一级如果是130,占了两格多一点,紧接着二级的燃烧时间占用的格数有3格多,如果一格表示60秒,二级燃烧时间可能长达230秒,如果按照弹径2.25米计算,二级的燃料12.2吨,当然也可能更轻,算出来的推力就有10-15吨左右。这一数据与韩国国防部关于2级发动机(推力)是“火星-14”(二级发动机推力3-4吨)的3-4倍的表述相吻合。伊朗曾展出一种来自朝鲜的推力8吨的游机,并联后推力正好与“火星-15”二级的需求一致。

电脑屏幕上显示“火星-15”导弹飞行轨迹和发动机工作时间

电脑屏幕上显示“火星-15”导弹飞行轨迹和发动机工作时间

伊朗曾公开展示一款据称来自朝鲜的小型摇摆发动机,单台推力提高到8吨

伊朗曾公开展示一款据称来自朝鲜的小型摇摆发动机,单台推力提高到8吨

火星-13所用的小型原子弹

火星-13所用的小型原子弹

美国人公开的NK两次火星14导弹发射数据

美国人公开的NK两次火星14导弹发射数据

美国专家公布的“火星”-14导弹射程范围图

美国专家公布的“火星”-14导弹射程范围图

最近的新闻显示火星-13导弹项目依然存在,其射程达1.2万千米,超过火星-14

最近的新闻显示火星-13导弹项目依然存在,其射程达1.2万千米,超过火星-14

火星-13一级仍然采用两台并联的火星-10潜入式发动机

火星-13一级仍然采用两台并联的火星-10潜入式发动机

金正日视察火星-13一级潜入式发动机

金正日视察火星-13一级潜入式发动机

照片后面的双发并联设计的发动机就是火星-13一级所用

照片后面的双发并联设计的发动机就是火星-13一级所用

结语

“火星”-15导弹的成功发射无疑大大提高了NK的战略威慑力,可以预见的是,NK并不打算就此止步。除了可能正在准备10-20万吨级的氢弹试验外,NK还在秘密发展可野外机动发射的固体弹道导弹系统。随着NK导弹实力的不断增强,美韩未来的应对措施,也值得我们密切关注。