張相國

2016年3月，正當(dāng)美韓因朝鮮核試和火箭發(fā)射而通過軍演對(duì)其實(shí)施戰(zhàn)爭威脅之際，朝鮮發(fā)布了其領(lǐng)導(dǎo)人視察和指揮遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈彈頭再入大氣層燒蝕試驗(yàn)的消息，并罕見地公布了相關(guān)細(xì)節(jié)照片，這不僅回應(yīng)了外界對(duì)其彈頭再入能力的質(zhì)疑，而且強(qiáng)化了朝鮮使用核武器進(jìn)行遠(yuǎn)程打擊的信心，對(duì)其強(qiáng)化對(duì)美核威懾起到了直接作用。

彈頭燒蝕試驗(yàn)情況

由于朝鮮只進(jìn)行過大型火箭的衛(wèi)星發(fā)射，至今沒做過遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的飛行試驗(yàn)，因此外界長期以來對(duì)其彈頭的再入能力持懷疑態(tài)度，但外界也相信朝鮮肯定以某種地面方式來彌補(bǔ)這一缺陷。

2016年3月15日，朝鮮《勞動(dòng)新聞》報(bào)道，朝鮮成功完成遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈彈頭再入大氣層燒蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果，全部技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了要求。此次試驗(yàn)的方法是使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)模擬彈道導(dǎo)彈彈頭進(jìn)行噴射，以模擬再入過程中彈頭與大氣摩擦產(chǎn)生的高溫高熱。試驗(yàn)條件是超過實(shí)際再入溫度的5倍溫度，試驗(yàn)效果如媒體報(bào)道，耐受住了遠(yuǎn)程導(dǎo)彈彈頭再入大氣層時(shí)的高溫高壓和震動(dòng)。此前，西方國家認(rèn)為尚未有證據(jù)顯示朝鮮掌握遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈再入技術(shù)，此次試驗(yàn)立刻引發(fā)了外界高度關(guān)注。韓國國防部稱朝鮮尚未掌握重返大氣層載具技術(shù)，并稱掌握了重返大氣層載具技術(shù)意味著已擁有彈道復(fù)合材料技術(shù)、燒蝕技術(shù)、末段制導(dǎo)技術(shù)等，這只有通過試射進(jìn)行驗(yàn)證。韓國認(rèn)為朝鮮的模擬試驗(yàn)與彈道導(dǎo)彈重返大氣層的環(huán)境有巨大差異。那么，什么是彈頭燒蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)康氖鞘裁茨兀?/p>

彈頭再入環(huán)境分析

導(dǎo)彈彈頭在再入段面臨的最大難題就是“燒蝕關(guān)”。彈頭出入大氣層時(shí)，飛行速度可達(dá)到每秒5千米至8千米，彈頭表面溫度達(dá)到8 000℃～12 000℃，不要說用普通金屬材料制成的彈頭殼體難以承受，即使再敷上一層耐高溫?zé)g的保護(hù)層，也難免被熔化。燒蝕最嚴(yán)重的是彈頭端頭部分，其在燒蝕過程中必須燒蝕率低、燒蝕均勻?qū)ΨQ，才能保持良好的氣動(dòng)外形。否則，彈頭在射向目標(biāo)的半途就燒毀了。正因這個(gè)原因，美國“大力神”導(dǎo)彈彈頭的頭幾次飛行試驗(yàn)均告失敗，“民兵”3導(dǎo)彈采用的MK12彈頭在前兩次再入飛行試驗(yàn)穿越大氣層時(shí)都被燒毀。導(dǎo)彈射程越遠(yuǎn)，再入速度越大，需要解決的再入技術(shù)問題也就越復(fù)雜。

此外，彈頭再入大氣層期間，有時(shí)會(huì)遇到不利天候環(huán)境，彈頭表面受到水汽凝結(jié)物多重粒子的碰撞。這些粒子存在于高度12千米（或更高）至地面的空域中，其物態(tài)包括冰晶、雪花、雨滴等，粒子的形狀有球、片、柱和樹枝狀，直徑從幾十微米至幾毫米。這些高速粒子撞擊彈頭端頭表面會(huì)造成機(jī)械損傷，產(chǎn)生嚴(yán)重的表面質(zhì)量損失，加劇了端頭形狀變化。這種天氣侵蝕效應(yīng)進(jìn)一步增加了端頭環(huán)境的復(fù)雜性。對(duì)遠(yuǎn)程導(dǎo)彈，中等天候造成的端頭侵蝕量可為潔凈空氣燒蝕量的一倍到兩倍，其對(duì)彈頭再入飛行穩(wěn)定性和最終打擊精度甚至彈頭安全都會(huì)產(chǎn)生較大影響。

可以看出，遠(yuǎn)程導(dǎo)彈彈頭設(shè)計(jì)必須考慮彈頭的熱燒蝕和粒子侵蝕問題，否則彈頭可能在到達(dá)目標(biāo)之前已解體或燒毀。這也是外界質(zhì)疑朝鮮的重要原因。

朝鮮彈頭再入技術(shù)分析

再入體設(shè)計(jì)降低了熱效應(yīng)，但外形保守從朝鮮公布的抗燒蝕試驗(yàn)照片可以看出，朝鮮此次試驗(yàn)對(duì)象采用的是一種鈍形半球狀的再入體端頭。這與朝鮮2015年10月閱兵展示的KN-08導(dǎo)彈改進(jìn)型的頭部設(shè)計(jì)非常相似。朝鮮在2012年展示的KN-08導(dǎo)彈搭載的是帶有穩(wěn)定裙和筒體的半球頭圓錐體形再入體，這種外形類似于朝鮮射程更近的中程導(dǎo)彈“舞水端”和“勞動(dòng)”的改進(jìn)型彈頭，但由于KN-08為遠(yuǎn)程導(dǎo)彈，彈頭再入速度更快，對(duì)再入設(shè)計(jì)與工藝提出了更高要求。顯然朝鮮發(fā)現(xiàn)其技術(shù)水平無法滿足KN-08導(dǎo)彈使用更尖銳的三級(jí)圓錐體要求，不得不改為現(xiàn)在的鈍形設(shè)計(jì)。這種鈍形設(shè)計(jì)常見于各國的早期彈頭。例如，美國“大力神”2洲際導(dǎo)彈使用的Mk6再入體，長約3.1米，底部直徑2.3米，半錐角12.5°。當(dāng)時(shí)由于防熱材料沒有過關(guān)，一般都采用大球頭半徑，以減輕彈頭的氣動(dòng)加熱，彌補(bǔ)防熱材料性能差的缺陷。但增大球頭半徑，顯然會(huì)使彈頭的氣動(dòng)阻力明顯增加，落速減小。從減少雷達(dá)散射截面積和再入體飛行穩(wěn)定性（決定了彈頭打擊精度）角度看，彈頭以尖錐體為好，因此在彈頭的防熱材料性能（特別是抗燒蝕性能）得到明顯提高以后，彈頭的球頭半徑趨于減小，通常會(huì)演變?yōu)槎嗉?jí)圓錐體，端頭也會(huì)更加尖銳。美蘇是最早研制洲際彈道導(dǎo)彈的國家，為后人解決再入問題提出了基本的思路。美國的第一代洲際彈道導(dǎo)彈首先試驗(yàn)了尖錐體，但很快發(fā)現(xiàn)難以克服氣動(dòng)加熱問題。研究發(fā)現(xiàn)，氣動(dòng)阻力越大，彈頭受到的熱量就越小，因?yàn)殁g頭在彈頭前方產(chǎn)生一個(gè)類似“氣墊”的空氣壓縮層，壓縮層可以把大量氣動(dòng)加熱帶走。當(dāng)然，“鈍頭體”也有缺點(diǎn)，即降低了再入速度，使預(yù)警與反導(dǎo)系統(tǒng)有更多的反應(yīng)時(shí)間。因此蘇聯(lián)第一代洲際導(dǎo)彈采用了錐形的半球頭彈頭，在解決氣動(dòng)加熱的同時(shí)保持了再入速度。美國的再入材料與理論成熟后，純“鈍頭體”也很快被美國放棄，但由于其有效的防熱、減速特性，這種形狀仍然被廣泛用于航天器如載入飛船的再入設(shè)計(jì)中。

燒蝕試驗(yàn)具有一定效果，但結(jié)論有限朝鮮在導(dǎo)彈再入體燒蝕試驗(yàn)中采用了地面火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴射燒蝕的方式，這也是各國導(dǎo)彈燒蝕試驗(yàn)中較為常見的一種。朝鮮由于國土面積狹小，無法完成中程和遠(yuǎn)程導(dǎo)彈全程飛行試驗(yàn)，加之缺少遠(yuǎn)洋海軍、遠(yuǎn)洋測控船隊(duì)，向海上發(fā)射難以獲得遠(yuǎn)洋海軍的支持，無法尋獲發(fā)射后再入彈頭，通過對(duì)其分析獲得第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料。而且在國際壓力下朝鮮也無法名正言順地進(jìn)行遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)。此外，朝鮮的“大浦洞2號(hào)”導(dǎo)彈在2006年唯一一次發(fā)射中起飛約40秒后偏離彈道失敗，至于1998年和2009年發(fā)射“光明星1號(hào)”和“光明星2號(hào)”衛(wèi)星據(jù)美國宣稱也都以失敗告終，朝鮮始終未有機(jī)會(huì)驗(yàn)證其彈頭防熱能力。這使得朝鮮難以研制和驗(yàn)證射程更遠(yuǎn)的彈道導(dǎo)彈。為此，朝鮮把主要精力放在了地面模擬試驗(yàn)上。

地面試驗(yàn)是研究防熱和抗粒子云侵蝕問題的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，但由于設(shè)備的功率與模型尺寸的限制，精確模擬是做不到的，只能部分模擬飛行環(huán)境。目前各國廣泛用于燒蝕/侵蝕試驗(yàn)的是空氣電弧加熱器和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，它們的工作時(shí)間從幾秒至幾分鐘。此外，國外也有把空氣電弧加熱器與高速風(fēng)洞結(jié)合起來進(jìn)行燒蝕試驗(yàn)的情況。例如，俄羅斯有專門用于彈道導(dǎo)彈彈頭再入試驗(yàn)的一比一大型風(fēng)洞，試驗(yàn)最高速度能達(dá)10倍音速，溫度能達(dá)數(shù)千攝氏度。

從朝鮮試驗(yàn)照片可看出，在試驗(yàn)中，朝鮮技術(shù)人員將彈頭放置于一臺(tái)疑似為“勞動(dòng)”導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)下面，靠發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的尾焰灼燒彈頭以測試其防熱性能。這種方式創(chuàng)造的試驗(yàn)環(huán)境非常有限。由于液體燃料火箭尾焰溫度并不會(huì)太高，難以真實(shí)模擬再入環(huán)境。韓國情報(bào)部門認(rèn)為，朝鮮這種試驗(yàn)只能產(chǎn)生1 500℃～ 1 600℃環(huán)境，而導(dǎo)彈再入段實(shí)際溫度將達(dá)7 000℃，因此其認(rèn)為此次試驗(yàn)不能說明朝鮮掌握了遠(yuǎn)程導(dǎo)彈彈頭再入技術(shù)。

燒蝕材料精心選擇，但效果不能高估朝鮮此次試驗(yàn)的主要是導(dǎo)彈彈頭的頭錐部分。這部分在飛行中所經(jīng)受的熱、力及其它環(huán)境是最惡劣的，而且它的外形變化對(duì)整個(gè)彈頭的氣動(dòng)特性乃至飛行性能影響最大。彈頭端頭由端頭體和端頭帽組成，內(nèi)部還裝有觸地引信。在防熱材料使用上基本集中在端頭、天線窗和底部，一是由于這些局部氣動(dòng)加熱更加惡劣，二是由于這些部位重點(diǎn)受力，需要具備一定的承力能力，三是由于大面積使用防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前無論從材料研究還是設(shè)計(jì)方法尚不成熟，實(shí)現(xiàn)困難，優(yōu)越性也不明顯，因而防熱材料主要在以上重點(diǎn)部位使用。從朝鮮展示的照片看，彈頭端頭部分使用了類似鑄造工藝的碳基材料，很可能是石墨材料或硅基材料，這些材料沒有使用任何編織工藝。從結(jié)構(gòu)看，可能使用了壓鑄或澆鑄工藝，很可能就是陶瓷材料。而與其緊密相接的再入體外殼則呈現(xiàn)出編織工藝痕跡，似乎是若干塊碳纖維布或石棉纖維編織材料沿玻璃鋼基的承力體粘合而成。從燒蝕情況看，端頭帽1/2處以上燒蝕嚴(yán)重，而與端頭帽相接的再入體外殼部分表面完全燒蝕，但纖維布基本完整。從圖片看，在朝鮮設(shè)定的試驗(yàn)條件下，試驗(yàn)對(duì)象燒蝕完全可以接受，意味著試驗(yàn)取得成功。從圖片可以看到，科研人員用燒蝕前依據(jù)端頭帽制作的木制模具展示端頭帽的“退蝕量”，可以看出端頭帽變薄，模具下出現(xiàn)了較大隙縫。但是如果考慮到朝鮮使用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴射燒蝕難以達(dá)到再入環(huán)境較高的溫度指標(biāo)，因此此次試驗(yàn)并不能說明問題。

朝鮮似乎考慮到上述情況，因此通過再入體由尖銳到鈍平的變化回避這一問題。此外，外界對(duì)KN-08改進(jìn)型導(dǎo)彈的再入體分析看出，在再入體頭罩上有對(duì)稱的4個(gè)燃?xì)鈿庾?，其很可能在再入過程中通過可見的頭罩完成初步再入，然后拋棄頭罩，再通過盾形再入體進(jìn)一步完成再入，確保核裝置安全。可見朝鮮可能通過較復(fù)雜和體積較大的再入體設(shè)計(jì)回避了高溫?zé)g問題，這可能就是朝鮮無需更高級(jí)材料和更高溫度的燒蝕試驗(yàn)，而對(duì)再入技術(shù)充滿信心的原因。不過上述設(shè)計(jì)可能造成在導(dǎo)彈推力一定的情況下的核載荷減少，這對(duì)朝鮮核武器小型化提出了更高要求，同時(shí)也大幅度降低了導(dǎo)彈的打擊精度，需要更大當(dāng)量的核武器來彌補(bǔ)。這些對(duì)朝鮮都是不小的考驗(yàn)。