朝鲜“北极星”系列导弹 (3)

2020-07-16尹瑞涛

兵器知识 2020年7期

关键词：北极星弹头阻力

尹瑞涛

“北極星”3导弹的结构

“北极星”3导弹的尖端是一个弹头部件（再入载具），可以携带约600千克高能炸药或核武器。虽然朝鲜宣布已开发出一种小型轻量核武器，但在技术层面还存在许多疑问。

导弹战斗部后面是制导部分，内置惯性导航系统、自动控制系统等。之后为第二级，即一台使用复合推进剂的火箭发动机，直径1.5米，推进剂中添加了铝粉末。将第一级和第二级连接起来的是称为级间段（中间级）的结构。

第一级的结构与第二级基本相同，但是总长度较长。最后一部分配备有一个保护罩，用于保护推力偏转器、喷嘴等免受用于将导弹从水中弹射出的高压气体的伤害。飞行控制由安装在后端的4个推力偏转器执行。

从“北极星”3的点火镜头分析，该型导弹并未沿用苏联R-27/4K10型潜射弹道导弹的“主发动机+小型游机”设计，更没有安装“舞水端”导弹的尾部大型格栅式尾翼，而大概率采取了在“火星”15洲际弹道导弹上已经得到充分验证的火箭发动机主喷管柔性摆动技术。

柔性喷管是大型固体火箭发动机的关键部件之一，它是发动机能量转换及实现推力方向控制的装置。柔性喷管是一种借助柔性接头实施喷管摆动，达到推力方向控制目的的摆动喷管。

朝鲜“火星”15洲际弹道导弹的发动机

德国学者推测的朝鲜“ 北极星”系列导弹的尺寸

“火星”15洲际弹道导弹发动机的两个摇摆喷管，直径约76厘米

“北极星”3导弹的尾部

固体火箭发动机喷管的摆动机构主要由喷管固定体、柔性接头及喷管扩张段组成。喷管固定体主要材料为高强度结构钢、高强高延伸率铝合金或钛合金，它承受的主要载荷是发动机燃烧室压力。柔性接头是喷管实现摆动的装置，它由多层同心球面的弹性件（橡胶）及增强件（钢或复合材料）粘接而成。在发动机工作过程中，喷管通过摆动来实现推力方向控制。喷管柔性摆动技术具有如下优势：

（1）控制效率高;

（2）推力损失小;

（3）采用一个全向摆动喷管可以实现俯仰、偏航的控制;

（4）控制机构能源需求低，重量轻。

“北极星”3导弹的发射过程

从相关图片来看，“北极星”3导弹由水下发射装置弹射出发射管，导弹垂直出水，然后助推火箭点火将其推进天空。

韩国首尔远东研究所（Seoul's Institute for FarEastern Studies）分析师金东宇（Kim Dong yub）认为，朝鲜此次试验使用了“冷发射”技术，用高压气体将导弹从水下发射筒射出水面，是一次成功的海上发射。试验图像显示，在导弹尾部形成了近乎白炽的完整白色尾焰，并显著扩大，最终留下一道浅灰色烟雾。此次试验所产生的尾焰非常符合固体火箭发动机的尾焰特征。潜射弹道导弹的潜射深度，一般对外宣布是在距离水面25米到50米之间。五大国的正常发射深度都在30米到35米之间。发射水深超过50米，燃气弹射力不足以克服水的阻力，会导致导弹无法弹离水面再点火，甚至导弹会直接在水面上横飘起来。若弹射深度小于25米，又会导致发射艇非常接近水面，当即出水暴露，而弹射出水的导弹姿态也不稳定，如果点火失败，会再次掉入水中，砸到发射艇本身。从10月2日“北极星”3导弹试射出水激起的水花来看，“北极星”3大约是从水下5米左右的深度发射的。

在朝鲜公布的发射现场照片中，有一张图片中显示了导弹发射地点附近有一艘船舶，金东宇说：“鉴于朝鲜公布的照片中，一艘拉驳船的船只正在发射点旁边等待发射，导弹很可能是从一个放置在漂浮驳船上的发射器上发射的。”这艘船被用来拖曳一艘顶部装有发射台的潜水驳船（submersiblebarge）。这种发射方式是苏联开发并首先在20世纪60年代使用的。朝鲜的工程师们可能认为，将他们的一艘作战弹道导弹潜艇投入试验风险太大。在新的潜射弹道导弹的研制过程的初始飞行试验中，使用潜水驳船进行首次发动机燃烧试验的做法是正常的，它可以在不危及潜艇的情况下对发动机进行试验，因为它消除了在发射过程中发生故障时损坏昂贵的载人潜艇的风险。2014年之后，朝鲜至少利用新浦的驳船进行了4次“北极星”潜射导弹的发射试验。驳船均长22.5米，宽9米。“北极星”1也是先从水下驳船上发射，然后才从真正的潜艇上发射。

美国有线电视新闻网援引美国官员的话报道说，当天发射的“北极星”3不是从潜艇发射的。另一名消息人士说：“也有可能是从海上驳船的水下发射装置上发射，检验了潜射导弹的‘冷发射技术。”2016年8月发射的“北极星”1潜射导弹曾在“新浦”级潜艇上以“冷发射”方式发射。

“北极星”3在水下试验驳船上从发射管中弹出后从水中升起。注意红圈中的船舶

一枚涂有黑白两色油漆的导弹弹出水面，然后助推火箭点火将其推进天空

苏联用于试射潜射导弹的可下潜试验浮台示意图

“北极星”3导弹发射全过程

关于“冷发射”

“北极星”3导弹此次发射采用了“冷发射”方式。当接收到发射命令时，发射器达到预定的深度，并且在确认导弹功能后，高压气体压力达到发射要求时，发射筒盖打开，然后导弹瞬间就被高压燃气弹射至水面约20米高度，穿过海面的导弹主发动机点火，并在扔掉保护罩后开始自主飞行。

潜射导弹的发射技术可分为“冷发射”和“热发射”两种。“热发射”是靠导弹的自身动力实现点火发射，即导弹在水下点火后，通过自身的推力射出水面，最大的技术难点是助推器在水中的点火技术。由于水的密度是空气密度的800倍，水下发射环境和陆上发射是天壤之别，如果点火失败，或者助推装置及其辅助系统设计不当，很容易引起高背压、水压和气压相互干扰，导弹出水后载荷失调等各种问题，最终导致发射失败。

“冷发射”是导弹飞离发射装置之前不点燃导弹发动机的一种发射方式，又称外推力发射。一般是使用以压缩空气、压缩蒸汽或助推剂燃气为动力的助推系统，通过气体的推动力将导弹发射到一定高度后才启动火箭发动机完成发射。“冷发射”的导弹在发射时由弹射装置或其它方式使它加速運动，直至离开发射装置，等到导弹出水之后再开启发动机完成接下来的飞行。

“冷发射”主要是在发射筒的底部安装可以产生高压燃气的燃气发生器。整个“冷发射”系统通常由燃烧室壳体、内绝热层、固体推进剂药柱、点火系统和排气装置等组成。根据用途不同和工作时间长短以及单位时间产生燃气量的多少，可选用较低燃温的缓燃或富燃推进剂制造成具有一定尺寸的几何形状药柱。排气装置可以是管道、燃气喷注器、一个或多个喷嘴。作用在导弹底部的弹射推力对导弹的作用时间很短，但推力很大，可使导弹获得很大的加速度。

苏联的R-27潜射弹道导弹

“冷发射”在技术层面要简单一些，还可以省去为了承受发动机的高温而在发射筒里加装的防护层。有效降低了发射重量，有利于导弹的小型化，对增大射程具有重要意义。“冷发射”优点：一是低温发射不会烧蚀发射系统，不会破坏发射系统结构，对于潜艇发射管要求低，不需要考虑火箭发动机产生高温高压燃气对潜艇的影响;二是由于不需要“热发射”那样专门的排气通道，发射系统体积较小，可在有限空间内最大限度地装载导弹。导弹运动状态比较单一，导弹出水动力由水下发射器或潜艇提供，不需要消耗火箭发动机的推进剂;第三，与“热发射”相比，“冷发射”这种技术能很好地隐藏发射阵地。同样，“冷发射”也有缺点，由于必须依靠导弹外力助发，因此发射系统结构相当复杂，可靠性相比于“热发射”要差一点，特别是对导弹火箭发动机点火控制装置技术、导弹姿态控制技术和火箭发动机的可靠性要求非常高，要求导弹出水之后能够迅速点火起飞，否则就会造成导弹落水甚至砸伤发射潜艇。

“北极星”3导弹的外形分析

从目前披露的“北极星”3的弹体外形与技术数据来看，其性能一点也不弱，部分性能甚至已经超过了苏联的R-27/4K10，有了与“巨浪”2型潜射弹道导弹比肩的资本。与2015年首次公开试射的“北极星”1和2017年首次试射的“北极星”2相比，“北极星”3外形的最大不同就在于它头部整流罩的气动设计。

“北极星”1潜射弹道导弹的弹头整流罩采用的是带巨大稳定裙的尖锥体设计，其能够有效降低在大气层内飞行时的阻力。这也是早期潜射弹道导弹常用的设计，比如美国的“北极星”A1和苏联的R-27潜射弹道导弹以及我国的“巨浪”1导弹。

从目前披露的“北极星”3导弹的照片来看，该型导弹一改“北极星”1导弹使用的带稳定裙的圆锥体弹头设计，而采用了与美军“三叉戟”IID5以及法军的M51相同的卵圆形钝头设计。这种设计与圆锥体弹头相比，水下流场性能好，但是大气层内飞行阻力较大。

军事专家分析称，“北极星”3导弹去除了前两代的设计弊端，飞行稳定性得到提高，进而在潜射导弹领域展示了飞跃性突破，如将“北极星”1导弹的尖弹头改为钝圆形，将弹身改为呈缓弧形，减少了水下阻力等等。

其次，弹体高清图的细节还显示，“北极星”3在弹体头部两侧增加了气泡生成孔，用于在水下生成包裹弹体的气泡，隔绝弹体与海水接触，有助于降低导弹的水下阻力。这个设计在其他国家的潜地导弹中也能看到。

水中主动空泡技术原理类似于“超空泡”现象，导弹上带有空泡发生器，可以产生大量空泡包裹住弹体，这时弹体表面接触的介质就会从海水变成气体，大大减少了弹体摩擦阻力。水中主动空泡技术常见于法国和俄罗斯的潜射弹道导弹，因为法、俄两国导弹惯常使用水下点火技术，导弹在水下点火后，需要靠自身的火箭发动机冲出水面，而海水阻力又远远大于空气，这极大地消耗了导弹燃料，影响了最大射程，所以需要主动空泡技术来减小水中阻力。

水下发射弹道导弹是一项难度非常高的技术，攻克这个技术表明朝鲜潜艇能够从水下发射弹道导弹，提高了导弹攻击能力和生存能力。

潜射导弹的水下发射都要经历水下飞行段、出水段和空中段3个阶段，其中水下飞行段和出水段是潜射导弹发射所独有的过程，也是潜射导弹发射成败的关键。水下发射导弹最难的地方就是要考虑导弹在水下和空气两种介质飞行状态，潜射导弹必须满足在水中和空气中都适用。导弹从水里发射进入到空气当中，在两种不同的介质中都要保持工作稳定。这个步骤时间最短，尤其是突破水面的时候，是以秒来计算的，却是潜射导弹发射成败的关键。如果采用尖弹头作为弹头形状，其后部需安装一个宽大的截锥体以稳定导弹在水中的姿态，而这不仅增加了潜射导弹的长度，还会导致导弹从水中进入空气时，由于阻力的急剧减小，造成导弹的姿态紊乱，进而导致发射失败。全世界很多国家的早期潜射导弹大多数也都是采用尖头设计，例如我国的“巨浪”1、美国的“北极星”A1、俄罗斯R-27等等，但是发射成功率其实并不高。

“北極星”3导弹头部侧面的开孔

“主动空泡技术”图解

“三叉戟”导弹的减阻杆

法国 M51潜射导弹减阻杆原理示意图

美军潜射弹道导弹从“北极星”A1到“三叉戟”II D5的外形变化，从锥体逐渐变为钝头型

所以，为了保证在水中的稳定性，随着潜射技术研究的逐渐深入，潜射导弹的弹头都改为了钝形，和普通的洲际导弹有所不同。美国人在发展潜射弹道导弹的过程中，逐渐的从使用锥体头部设计的“北极星”A1和A2（美国早期潜射弹道导弹也叫“北极星”）改进到了使用卵形钝头的“三叉戟”系列。另外，俄罗斯的“布拉瓦”、我国的“巨浪”2、法国的M51等潜射导弹也采用了钝头体外形。钝头之所以适用于水下，还有“空泡效应”的作用。由于该形状弹头顶部表面积较大，因此在推进过程中可以打开较大的水域，弹体就可以在弹头撑开的空腔中向前移动。如果在弹头上增加气泡发生器，基本上就与在空气中前行没有区别了，这样能最大程度的减少水中阻力。另外，采用钝形弹头还可提高内部空间，配备更多分导式弹头，以提高导弹突防能力和攻击能力。

一般的陆基导弹、空基导弹等只需要考虑空气阻力。为减小空气阻力，导弹多采用细长弹体和头部尖锐的圆锥弹头或者弧形设计。但是这种弹体不利于在水中飞行，导弹出水的时候也会产生较多空泡。导弹出水瞬间，这些空泡会迅速溃灭，从而在弹头和弹体上面产生较大载荷，损坏导弹结构。而海水中要稳定地出水，最好是钝头，而且最好可以自己产生气泡减少水的阻力，保持稳定出水姿态。不过卵形钝头设计弹头的缺点也非常明显，当潜射导弹出水后在大气层内高速飞行时，钝头空气阻力大，严重降低导弹的速度和射程，空气中飞行又需要阻力最小的弧形头。现在大国之间有两种办法解决这种矛盾。一种是美国的钝头“三叉戟”和法国的M51出水后弹出减阻杆。

导弹或者运载火箭在空中飞行会遇到巨大空气阻力，发动机能量很大一部分被用在克服空气阻力上面。航天器头部阻力主要来源于头部附近弓形激波，导弹或者火箭越快，这个区域压力和温度越高，阻力也会急剧增加。一般认为导弹为了克服弓形激波，至少要消耗发动机推力的四分之一，可以说损耗非常大。减阻杆就是为了克服弓形激波，它的原理非常简单，那就是刺破弓形激波，将它变成斜激波，后者压力和阻力远小于弓形激波。这样就相当于增加了发动机推力，提高了导弹射程。

美国“三叉戟”IC4首次在潜地导弹上采用可伸缩式减阻杆，平时收缩在整流罩内，当导弹出水发动机点火4秒后，减阻杆再伸出整流罩，刺破空气。根据相关资料，减阻杆减阻效果可以达到30%以上。

除了使用减阻杆，还可以采用双头罩设计来解决导弹在水中和大气中运动矛盾的问题，就是在导弹锥体整流罩外部再加一个钝头整流罩。在导弹跃出水面进入大气层后抛掉钝头形外罩，导弹露出锥体整流罩后，再在大气中飞行。印度的K15潜射导弹就是采用了这种设计。应对海水阻力最理想的整流罩造型是钝头形，钝头形整流罩在水下阻力小，而飞出水面后，阻力大增。尖锥形整流罩则与之相反，因此应对大气阻力最理想的整流罩造型是尖锥形。采用双头罩设计的目的正是为了将两者取长补短，优势互补，同时拥有在水下和空中的最佳外形。外部水下整流罩在水下用来调整出水姿态，当导弹在水中飞行的时候减少水泡产生，改变弹体表面压力分布，减小对导弹运动姿态的影响，内罩为导弹在大气层飞行时提高气动效果。双头罩能够较好兼顾水下和空中的运动性能，这种设计能够有效提升水下运动的流体性能，同时减少导弹空气阻力，保证导弹大气飞行性能，增大导弹射程。但是缺点是增加了发射过程的复杂性，主要是多了一个低空抛罩的步骤，同时钝头整流罩及抛离结构会增加导弹长度和重量，也让导弹内部结构更加复杂，反而会降低导弹可靠性。

此次“北极星”3导弹试射最引人注目的地方就是导弹直接出水，不需要采用保护罩，从而有效降低了导弹长度和重量。朝鲜作为一个经济技术欠发达国家能够取得这样成熟的技术的确让人刮目相看。

21世纪军事研究所专门研究委员柳成烨（音）认为，朝方此次发射的导弹，已经接近于当代新型潜射弹道导弹的水平。韩国国防安全论坛（KODEF）专门研究委员申宗（音）认为，这暗示着朝鲜也将继续开发搭载多弹头的潜射导弹。

“北極星”3导弹的外形细节，可见头部采用了钝头整流罩

印度K15导弹在抛掉导弹外罩

从朝鲜官媒公布的试射照片可以看出，“北极星”3导弹外形与美国“三叉戟”II D5潜射弹道导弹非常相似，都采用了半球形头部，显然朝鲜技术人员是走了美国人的“三叉戟”钝头型的设计，这种设计的好处是适合导弹在水下运动和减阻，并且有助于减少导弹的长度以及增加头部的空间。虽然有不少好处，但其阻力比圆锥形或尖拱型头部的更大，从朝中社发布的发动机点火后的飞行图来看，朝鲜此次发射的“北极星”3导弹钝头整流罩锥角还是比较大，似乎可以推测“北极星”3导弹应该没有采用减阻杆，而是加大整流罩锥角来减少阻力，当然产生的问题就是空泡抑制效果减少，导弹出水受到的载荷增加。可能他们更看重导弹的水下运动减阻和出水稳定，至于射程和大气飞行性能则被放在了次要位置。

值得一提的是，“北极星”3导弹首次试射就选择了水下发射，而不是像一些军事大国或强国常用的路线——先进行多次陆地和水面试射，逐步转到水下测试。朝鲜首次试射就选择水下可能有两个原因：一是对自身潜射弹道导弹水下发射技术比较自信;二是减少试射的次数和时间，节约经费，尽快使导弹具备实战能力。从整体气动布局来看，朝鲜“北极星”3导弹紧跟世界潮流，也表明朝鲜在短短几年在潜射弹道导弹方面取得了不少的进步。