中国水下发射大型火箭的新绝技

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据说这是“巨浪2”导弹的发射

在第二届全国创新争先奖奖牌获奖团队中,有中国航天科技集团有限公司第一研究院水下发射大型固体运载火箭研制团队。团队主要负责人、党委书记、副院长李明华说到:

“团队在我国首型、新型和新一代水下发射大型火箭研制中,取得了基础理论、关键技术和工程管理的体系化创新成果。面对水下发射大型火箭研制这一世界性难题, 团队突破了旋成体跨介质多相流控制理论,独创了出水多相流主动控制新原理,使我国具备了大型火箭水下可靠发射能力,部分技术国际领先;提出“三步走”战略,全面突破系列特有关键技术,首型火箭综合性能达到国际先进水平,亮相70周年国庆阅兵方阵;新型火箭完成工程研制,投送距离世界第一;新一代火箭背景预研立项, 关键技术攻关取得重大进展。团队正在超前布局颠覆性技术和重大基础问题研究,着力突破跨介质飞行技术新原理和理论新方法,以支撑后续先进水下发射运载火箭新发展。曾获国家科学技术进步奖特等奖、国家级管理创新成果奖-等奖、中央企业优秀科技创新团队等奖励。“

最大的看点在于:

1、 投送距离世界第一

2、 旋成体跨介质多相流主动出水控制

水下发射大型火箭无益是指潜射洲际导弹。中国的潜射导弹已经发展了“巨浪1”和“巨浪2”。“巨浪1”的射程只有1700公里,增程的“巨浪1A”也只有2500公里,实在说不上洲际。“巨浪2”加大了,射程增加到8000公里,有用很多,但还是不够。

由于潜艇静音技术的限制,中国核潜艇在可预见的将来难以突破第一岛链,深入太平洋发射导弹。从东海发射,8000公里也就够勉强打到夏威夷,从黄海可以打到安克雷奇。就从无到有来说,这是巨大的进步,但从中国的战略需要来说,是不够的。

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“巨浪2”比“巨浪1”大了一圈,图中长度为13米,一说实际上达到14米

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这使得094具有显眼的龟背

有说法“巨浪3”实际上是“巨浪2”的深度改进型,就像东风31AG改进自东风31A,所以外形尺寸相同。不管是“巨浪2改“还是”巨浪3“,据说已经进行过发射试验了,射程达到12000公里,可以从黄海打到纽约,或者从南海打到凤凰城。美国的“三叉戟II D5”也是12000公里。有可能实际射程比报导的更高,能打到14000公里就很充裕了,可以从南海深处覆盖美国全境。“三叉戟II D5”也说是“至少12000公里”。这些细节不要紧,关键是管用了。

据报道,“巨浪2改”(或者“巨浪3“)射程增加来自更加先进的轻质弹体,采用第四代的碳纤维弹体(前三代为高强度合金钢、纤维缠绕玻璃钢、芳纶-环氧),与美国”三叉戟II D5“的第一、二级(第三级依然为芳纶-环氧)和中国东风26相同。发动机使用先进的N-15固体燃料推进剂,官媒称达到世界最高综合性能,超过美国公布的“三叉戟II D5”使用的NEPE-75的公开数据,甚至有可能采用更高能量的CL-20。在微电子方面,除了重量和体积只有80年代研制的“三叉戟II D5”一个零头的超大规模集成电路,还采用了激光陀螺,重量只有高精度机械陀螺的一个零头。美国“海神C3”演进到“三叉戟I C4”时,导弹的尺寸未变,但惯导和电子系统减重使得电子设备舱的体积和重量大减,有空间安装第三级火箭发动机,加上壳体减重和固体燃料推进剂的改进,使得射程从4600公里猛增到7400公里。但“巨浪2改” (或者“巨浪3“)还采用了更加极端的先进发射技术。

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鱼雷的雷头形状圆钝,这是为水动力最优化的

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陆基洲际导弹的弹头就是子弹头一样的圆弧锥形的,要更加尖锐,弹体比较细长这是为气动力最优化的,这是美国“民兵III”陆基洲际导弹

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潜射导弹的弹头就要圆钝得多,弹体也很短粗,这是美国“三叉戟II D5”潜射洲际导弹

潜射导弹的运动有水中上升、空气中上升、弹道飞行、再入大气层四个阶段。弹道飞行无所谓气动外形,再入的气动和热力学设计是另外的问题,在空气中上升与陆基导弹是相同的气动问题,但在水中上升是潜射导弹独有的问题,把两个上升段的水动力和空气动力问题结合起来考虑,是潜射导弹的独有挑战。

海水的密度比空气高800倍,高速运动的水动力最优外形是水滴型,比较圆钝、短粗,而且需要像蝌蚪尾巴一样的收尾。事实上,特别细长的物体在水中的摩擦阻力太大,实际上并不利于高速航行。在空气中,导弹的运动速度快得多,在稠密大气层中就达到超音速,最优外形是子弹头一样的圆弧锥形,而且弹体应该比较细长。空气中的摩擦阻力较小,迎风阻力是主要问题。

大直径艇体是导弹潜艇的第一大技术难关,所以潜射弹道导弹难以通过加大长度来增加火箭发动机的燃料量和射程,只能加粗。这决定了较难采用很大尖锐度和较长的圆弧锥形,而只能采用相对圆钝短挫的头锥。圆钝的头锥也上适合将多弹头环形布置,这样可以最大限度地利用钝圆的弹头形状,中间的空间可以容纳额外的火箭发动机。这也是充分利用导弹全长内所有容积的最有效的办法。问题是这样一来,气动阻力就大了。

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为了尽可能多带弹头,“三叉戟II D5”的弹头环形布置

弹道导弹在飞出大气层后固然不需要考虑气动阻力问题,但在飞出大气层之前还是对气动阻力很敏感的。但弹道导弹的加速很快,在飞出大气层前就达到超音速。既然如此,就可以利用超音速飞行时的激波现象。

激波是飞行体速度超过音速时对前方空气高度压缩的结果。由于空气中压力波的传播速度为音速,飞行体速度超过音速时,前方空气就被“压到一起”,所以密度急剧升高,好比虚拟的石墙。激波的形状为飞行体尖端向后展开的圆锥体,速度越快,角度越尖锐。圆锥体的角度的正弦与马赫数成反比,M2正好对应于60度,所以第一代M2战斗机(如幻影III、米格-21)采用约60度的机翼后掠角不是偶然的。M4则对应于约75度的后掠角。实际超音速飞机的设计不仅需要考虑超音速减阻,还要综合考虑起飞、着陆、中速和高亚音速飞行性能,所以后掠角通常小于马赫角。这是估计无侦8的飞行速度至少达到M4的主要依据。换句话说,潜射弹道导弹的弹头锥应该具有至少75度的锥度,否则在飞出大气层的过程中将面临很大的气动阻力。比照“巨浪1”,弹头锥也确实相当尖锐。但这样的锥度对弹内空间和布置多弹头很不友好。

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“三叉戟I C4”,减阻杆已经弹出

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“三叉戟II D5”及弹出的激波减阻杆

但是变一个思路,在钝圆的弹头锥前端弹出一个很长的减阻杆,杆端甚至加一个小帽,在高速飞行时人为制造一个强烈的前置激波锥,形成虚拟的尖锐整流罩,也能起到气动减阻作用。前置激波锥还降低弹头锥整流罩承受的气动压力,降低结构强度要求,减轻结构重量,正好补偿减阻杆和弹出机构的额外重量。形成额外的激波锥是需要消耗火箭发动机的能量的,但这是“吃小亏赚大便宜”的典范,用较小的能量代价换来很大的减阻效果,是值得的。据报道,“三叉戟II D5”的减阻杆能达到减阻50%的效果。

应该指出:减阻杆只有在潜射导弹上使用,陆基导弹上不用。这是因为陆基导弹对长度不那么敏感,用更加尖锐的整流罩可以达到同样的减阻作用,但不需要耗用能量形成前置的激波锥,有利于增加射程或者载荷。另外,减阻杆看似简单,但精密度和可靠性要求极高。减阻杆的弹出机构需要高度可靠,弹出后需要在预定位置可靠锁定,减阻杆本身和小帽必须与弹体轴线精密重合,否则变形的激波锥将大大增加阻力,甚至导致飞行的不稳定。

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减阻杆激波减阻示意图

美国潜射弹道导弹从“海神C3”开始就采用减阻杆技术,但据说“巨浪2改”采用的是更加复杂但对水动力和空气动力要求兼顾更好的双整流罩,外层整流罩是适合水动力航行的水滴形,出水后抛掉,露出内层的更为尖锐的圆弧锥形整流罩,更加适合空气里的高速飞行。发射重量比减阻杆更大,但出水后抛掉圆钝整流罩后,重量并不更大,弹内空间的损失也较小。

有消息说,“巨浪2改”还采用了尾整流罩,也在出水时抛掉。尾整流罩与首整流罩不同,圆钝的首整流罩可以包覆在尖锐的圆弧锥形的内整流罩之外,并不增加导弹总长。尾整流罩就要显著增加弹尾长度了,这对艇体高度严重受限的潜艇是不能接受的。以某种形式可向后弹出并可抛弃的尾整流罩可解决长度问题,但大大增加复杂性。然而,在弹底套上折叠起来的橡皮套,在发射时用高压气体充气弹起,不仅形成尾整流罩,也在导弹弹出发射筒的时候助推一把,或许是个好办法。在火箭发动机点火时,尾焰的高温和压力加上解锁可自动抛掉橡皮套。现有的“巨浪2”出水的图片上,或者火箭发动机已经点火,或者弹尾笼罩在水雾之众,无法证明这样的尾整流罩的存在,但抛落的硬质整流罩确实没有迹象。

潜射导弹上自带高压气体发生器,这是中国的独创。导弹在阻力很大的水中运动时,既可以有动力,由水下点火的火箭发动机推动出水;也可以无动力,靠高压气体助推发射时的惯性加上浮力出水。动力出水的速度高,稳定性好,但耗用火箭燃料较大,有损射程。法国和俄罗斯的潜射导弹采用这个技术。为了补偿射程损失,部份火箭燃气用于在弹体前方和周围产生气泡,导弹在气泡包裹中上升,只有导弹与气泡的摩擦阻力,而没有导弹与水体的摩擦阻力。气泡层也可看作导弹与水体之间的润滑剂。俄罗斯的“超空泡鱼雷”正是用这样的技术达到200节的超高速的。

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超空泡鱼雷在弹体周围包覆一层气泡,既可以把气泡层看作润滑剂,也可以把气泡层看作鱼雷与水体的隔离层,雷体与气泡的摩擦阻力远远低于水体,达到减阻目的

但这依然耗用火箭燃料,缩短射程。“三叉戟II D5”则是无动力出水,在水面点火,所以射程达到最大。但无动力出水的水下弹道不可控,出水姿态需要在跃出水面的瞬间由姿态控制火箭大幅度矫正,不仅技术复杂,这本身也耗用火箭燃料。

“巨浪2改”也采用无动力出水,以达到最大射程,但同时自带高压气体发生器,采用水中主动空泡减阻技术,双管齐下,增加出水稳定性,并保持最大射程。但这只是李明华所说的独创技术的一半,另一半是“出水多相流主动控制”。

包覆式的气泡层不是“实心”的,实际上是气泡与海水的混合,在弹体表面的流动正是气相与液相混合的多相流动。气泡层不仅减阻,还提供了新的可能性。主动控制和形成不对称气泡层就可以控制阻力分布,实现水下的姿态控制。这与火箭的侧推姿态控制是两回事,但有异曲同工之妙。比如说,在导弹姿态向右倾斜的时候,在左侧减少“冒泡”,缩小气泡层的厚度,就相当于在左侧增加阻力,使得弹体向左倾斜。反之亦然。这样,在无动力出水过程中,导弹也保持姿态控制,使得出水姿态保持最优,大大降低姿态控制火箭的工作量,可以把更多的燃料用于推进而不是姿态矫正上,增加射程。

通过这些先进技术,“巨浪2改”(或者“巨浪3”)达到了世界先进水平,成为中国水下核力量的中坚。据报道,094及其改进型已经建造了5艘,第6艘 在建。每艘搭载12枚“巨浪2改”,每枚搭载8个分导弹头,那就是576个核弹头。这是强大的威慑力量,远远超过美欧自慰的“中国只有290枚核弹头”。

中国需要歼-20、99A坦、055、航母,但中国也需要足够数量的核武器,这才是中国国家安全的终极保证。“巨浪2改”则是确保这样的终极保证能可靠递送到目的地的主要手段。李明华和他的战友们功莫大焉。

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