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近期两则新闻引起了网友的极大关注。一是日本宇航探索局(JAXA)希望在2010年开始三级“先进固体火箭”(ASR)全尺寸研发工作,在2012年或2013年首次发射。ASR将采用H-IIA火箭和H-IIB重型火箭的SRB-A型捆绑式固推作为第一级,但采用了降低成本的简化工艺,第二级和第三级则分别基于现有M-V固体火箭的第三级和第四级。二是印度太空研究组织(ISRO),为下一代地球同步运载火箭GSLV Mark III研制的大型固推将于明年1月试验,该助推器重量超过200吨,印度明显夸大地将其称为世界上第三大固体火箭。而人们对于这两种固体火箭的关注,主要是条件反射般联想到固体弹道导弹。的确两者之间有某种先天的技术关联,但将两者直接划等号实际上并不可取。固体弹道导弹所需的一些技术要求和特殊工艺,在大型固推上其实并不需要,反之亦然。

壳体技术

从技术上来讲,固推火箭的装药配方和壳体材料反映其基本技术水平,但在具体讨论过程中并不能绝对化。从壳体材料发展来看,首先是以低合金钢为主的金属材料,在质量比要求不十分严苛的发动机上仍大量使用,另外也有使用钛合金的,例如“民兵”III洲际导弹的第二级。然后是采用纤维缠绕工艺制造的玻璃钢壳体,50年末美国的“北极星”A2潜射导弹第二级壳体就采用了玻璃钢。接着又出现了环氧树脂和芳纶纤维,后者最常见的当然是凯夫拉纤维。80年代中期碳纤维发展迅猛,树脂基体的碳纤维增强材料开始得到应用。

美国70年代研制的“和平卫士”MX洲际导弹,以及“三叉戟”C4潜射导弹,三级都采用凯夫拉/环氧树脂壳体,而80年代研制的“侏儒”洲际导弹三级都采用碳纤维/环氧树脂壳体,“三叉戟”D5一、二级使用碳纤维/环氧树脂壳体,第三级仍采用凯夫拉/环氧树脂壳体。前苏联,SS-24、SS-25洲际导弹一、二级使用玻璃钢壳体,第三级采用芳伦纤维/环氧树脂壳体。法国的M4/45潜射导弹第一级为超高强度钢壳体,第二级为玻璃钢壳体,第三级为凯夫拉纤维/环氧树脂壳体,到了M51则全面使用碳纤维/环氧树脂壳体。

然而,航天用大型固推就是另外一回事了,航天飞机的大型固推为海上回收采用了钢壳体,但执行极轨军事任务需要移至范登堡空军基地发射,为了纬度提高和倾角加大带来的性能损失,固体助推器改用了更轻的纤维缠绕壳体。同样,设计时考虑海上回收复用的“阿里安”5的大型固体助推器,也采用了传统的钢制壳体,尽管实际上欧空局并没有复用过几次。从目前获得的资料来看,印度为GSLV MK III研制的大型固推数据比较混乱,存在许多相互矛盾的地方,不过采用的应该也是钢制壳体,从其用途来看是比较适合的,而且印度也尚未具备制造大尺度高强度碳纤维壳体的技术能力和工艺条件。

不过,印度如果要通过发展陆基或潜射弹道导弹,获得有限的核威慑能力,其目前的能力应当也是够用的。美国“民兵”系列洲际导弹总共发展了三代,但第一级都是锡尔科M55,装填系数只有88.7%,主要就是因为使用的是钢壳体。很多人可能觉得,芳纶纤维或碳纤维增强的环氧树脂基材料性能更好,这当然是正确的。在同等强度下,玻璃纤维/环氧树脂壳体比钢壳体减轻20-50%,而凯芙拉/环氧壳体又比玻璃钢壳体减重35%,高强度中等模量的碳纤维/环氧树脂壳体比凯芙拉/环氧树脂壳体减轻25-30%,而且还不断有新的更高性能的碳纤维增强材料和树脂基体材料出现。但是面对没有洲际导弹反导能力的主要战略对手(例如中国),首先获得核弹头的洲际投送能力显然更重要。

药柱配方

目前,大型固推和固体弹道导弹采用的推进剂是所谓复合推进剂和改性复合推进剂,常规复合推进剂一般采用60%-72%的高氯酸盐(AP)作为氧化剂,常见的是高氯酸铵(NH4ClO4),加上不超过22%的铝粉作为燃烧剂,辅以8%-16%的聚合物作为粘合剂(包括固化剂等添加物)。所谓改性复合推进剂会添加一定的高能炸药,例如奥克托今(HMX)或黑索金(RDX),以略微提高推进剂的性能,同时推进剂的密度也会有所增加。改性符合推进剂还会像双基推进剂一样,添加一定的硝化甘油作为高能可塑剂。再往上发展就是高能复合推进剂,将黏结剂和固化剂替换为高能材料,同时也将部分高氯酸盐替换为奥克托今。有些高能复合推进剂也被称为人造橡胶改性浇注双基推进剂(EMCDB),理论比冲可以达到270-275秒,但大部分配方还处于试验阶段。

固体火箭的聚合物粘结剂常见的有端羟基聚丁二烯(HTPB)、聚丁二烯丙烯酸(PBAA)、聚丁二烯丙烯(PBAN)等,它们在发动机工作时也作为次级燃料。单纯从性能上来说,HTPB要比PBAN稍好一些,而且有很好的燃速控制,燃烧过程也比较稳定,药柱机械性能、存储时间、生产成本也相对优良。但是对于弹道导弹来说,HTPB有一些严重问题,它对环境湿度也比较敏感,还会产生明显的烟雾,喷流温度也非常高,这意味着更容易被敌方卫星所侦测到,当然这也是高性能固体推进剂所难以克服的,一般通过缩短发动机工作时间来缓解。

大型药柱的加工有很高的难度,代表了这个国家在化工领域的技术水平,但是固体弹道导弹通常不需要那么大,其加工难度主要体现在其他方面。相对航天用大型固推,固体弹道导弹的使用环境非常严苛,其服役时间一般长达20年甚至更久,推进剂和添加剂的老化和降解就必须加以考虑,即便如此每隔一定时间进行抽检和试射仍旧是必要的,这是美国海军要经常试射“三叉戟”II潜射弹道导弹的原因之一。大型固推则完全不同,它们是按照发射任务专门生产的,相对而言产量不会特别高(除非直接使用现成的远程固体弹道导弹)。而且航天用固体火箭没有长期存放的需要,从完成药柱浇注出厂到运抵发射场进行总装,再到最后点火发射时间间隔不会太长,几乎不需要考虑老化和降解的问题。

航天用固体火箭的运输都十分小心,而军用固体弹道导弹就比较粗暴,特别是需要机动发射的固体弹道导弹,虽然发射容器有完善的减震措施的,但还是不可避免要受到反复震动。在最坏的情况下,药柱可能因颠簸和振动形成裂纹,甚至从壳体上局部剥落,这都将严重威胁发射安全,因此必须采用特殊措施。复杂电磁环境不仅意味着干扰,也意味着固体火箭的意外点火。意外点火不仅可能来自自然界的闪电或静电,也可能来自己方的电磁辐射源或者其他人造强辐射,例如电磁脉冲弹或者核弹的爆炸。温度也是一个指标,固体弹道导弹需要有宽得多的温度适应范围。

矢量喷管、多级构型和制导

火箭推力矢量控制是具有较高技术含量的领域,对于液体火箭和固体火箭都是如此。大气层内飞行的导弹,可以采用气动控制面来改变飞行轨迹,如要采用推力矢量也可以使用最传统和简单的燃气舵。但大型固推的喷流温度高、工作时间长(可达百秒以上),采用燃气舵基本是不可能的。过去经常在大型固推旁再捆绑小火箭,通过对偏流的可控干扰来实现推力矢量,而现在更多是利用可偏转的柔性喷管。弹道导弹也需要这项技术,只不过由于火箭本身要小很多,实现起来的难度也要大幅降低,但两者的技术确实是相通的。

运载火箭的捆绑式固推一般是单级的,而弹道导弹则采用多级构型,后者的技术复杂性就要大出许多,牵涉到弹道导弹的总体设计,例如要考虑级间段的设置和上面级的空中点火,这其实并不那么容易掌握。运载火箭的中型固推有时也会采用分批点火方案,部分固推可以在起飞后空中点火,但那毕竟仍然是在低空,与高空点火绝对不可同日而语。从控制上来说,运载火箭主要依靠在测控体系支撑下,按照指令和程序完成固推的点火和分离。但是弹道导弹则需要在制导系统的控制下,仅有核弹和火箭而无制导是不可能构成完整的弹道导弹的,这是复杂的系统工程。

固体上面级与弹道导弹

另外,人们容易忽视固体火箭发动机在上面级上的应用,其实这和中远程弹道导弹,特别是洲际导弹关系很大。出现这种情况主要是采用固体火箭发动机的上面级很少,而且高性能上面级几乎无一例外采用氢氧低温发动机,但实际上最早的上面级中就有固体火箭的身影,当年美国在用“红石”火箭发射卫星时,就采用集束固体火箭作为上面级。迄今为止最先进的固体上面级是美国的“惯性上面级”(IUS),这种上面级最早是为了从航天飞机货舱内发射卫星而研制的,后来也搭载在“大力神”IV系列运载火箭上。IUS反映了80年代中期美国的固体火箭技术,其最大的特点就是采用了三段式喷管,可以将截面比从49.3提高到181。

这个技术对于中远程弹道导弹也十分有价值,军用导弹必须要控制尺寸,尤其是潜射弹道导弹对长度的要求更严格,否则就容易出现苏联“德尔塔”级弹道导弹核潜艇(SSBN)上那种龟背,或者被迫采用“台风”级那样超常规的变态设计。弹道导弹的第二级和第三级(如果有的话)需要高空点火,因此需要采用截面比更大的喷管,避免出现喷流过膨胀的情况。但在导弹的总长度约束下,往往只能采用可延伸的分段喷管。显然,能够研制出可以用于弹道导弹第一级的大型固体助推器,并不意味着能够研制出可用于第二级和第三级的固体助推器,而后者对于弹头的投掷重量和投掷精度将起到重要的影响。

这个技术有多重要,大家只要去看看俄罗斯命运多舛的新一代潜射弹道导弹“圆锤”就可以了。在2009年12月10日的最近一次试射中,由于其第三级发动机工作不稳定,导致试射再次失败。而在此前的试射中,“圆锤”的第三级曾不止一次发生故障,已知的有2006年12月24日的试射和2008年12月23日,凑巧的是第三级出故障的试射都发生在12月份。

固体火箭与反导拦截弹

当然还是有固体火箭难以担当的任务,这就是分导式机动多弹头(MIRV)的再入控制,以及末级助推器(PBV)本身的姿态控制(MIRV就装配在PBV上,因此后者又称为弹头母舱)。一般PBV的主发动机采用固体火箭,姿态控制系统(RCS)则依靠若干小推力的双组元液体火箭。目前反导系统配备的各种可分离动能拦截器则需要精度更高、频率更快的姿态控制,以适应拦截过程中与来袭弹头或导弹非常高的交会速度,需要在非常短的时间内进行多次点火,一般仍然采用微型液体火箭,例如“外大气层拦截器”(EKV)的机动和姿态控制系统(DACS)。

不过,还是有一些反导系统采用固体火箭进行末端姿态控制,其典型就是“爱国者”PAC-3和“战区高空反导系统”(THAAD),它们都是在弹体前部安装大量微型固体发动机,根据姿态控制系统发出的指令分别进行点火,将携带碰撞杀伤战斗部的导弹直接推向拦截目标的。另外,固体火箭在可分离动能拦截器上的应用也探索了多年,例如美国差不多已预研了十年“谢弗”微型拦截器,变轨推进系统(DPS)和姿控控制系统(ACS)都采用微型固体火箭,分别有200个和420个一次性脉冲点火的发动机。显然,能够造出大型固推并不意味着就站在了固体火箭技术的前沿,大的和小的都有各自的重要功用。同样,能够造出大型固推也不意味着已经彻底拥有了研制洲际导弹的全部技术,技术的共通性只构成了一种可能,而要将可能变成现实还需要更多的技术积累。

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