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2009年4月5日,朝鲜在成镜北道舞水端里发射场试射了一枚被称为“银河”-2的火箭(题图),这是朝鲜第二次进行卫星发射,第三次进行类似的运载工具试验。这几次试验为我们分析朝鲜远程导弹能力提供了宝贵的信息。特别是“银河”-2火箭代表了朝鲜最新航天和导弹科技成就,是我们揭开朝鲜远程弹道导弹秘密的突破口。
朝鲜的两次卫星发射情况
朝鲜分别在1998年和2009年利用不同火箭进行了卫星试验发射,并在2006年利用类似火箭进行了一次导弹试射。虽然试验均以失败告终,但每次试射都取得了一定的技术进步。
1998年的卫星试射1998年8月31日。朝鲜宣称发射“光明星”-1号卫星,外界普遍认为该火箭是在两级的“大浦洞”-1型导弹上加装了一级而组成的三级运载火箭。第一级飞行95秒后分离,落入距发射场253千米的日本海域。第二级飞行266秒后分离,落入距发射场1646千米的太平洋海域。第三级在293秒时将卫星送入椭圆轨道,但卫星很快解体。此次发射由于飞跃日本领土上空,成为日本和美国以后发展导弹防御系统的借口。
2009年的卫星试射2009年2月朝鲜宣布其正在准备发射1颗名为“光明星”-2号的“通信试验卫星”,3月再次向国际海事组织发出通报,称第一级助推火箭将坠落在距离成镜北道花台郡舞水端里试验场650千米远的日本海上,第二级助推火箭将坠落在3 600千米远的北太平洋上。这表明此次发射的为三级火箭。4月5日,朝鲜在成镜北道舞水端里发射场试射了一枚被称为“银河”-2的火箭,火箭第一级落入距离发射点540千米、日本300千米的日本海内,第二级成功点火并与第一级分离,火箭在400千米高度飞越日本上空,第二级溅落在距离发射点大约3 200千米的太平洋上,落在了比宣布落点中心近数百千米的地方,第二级弹道最大高度达到了485千米。发射过程中出现的火箭分离、次级点火等技术在1998年8月的卫星发射中已经得到了验证。
此后,日本军方观测到有两件以上的不明物体坠落在了相近海域内,并未发现有后续物体点火或继续飞行。由于日本北部处于观测飞越日本上空火箭的较佳位置,其观测应该是可信的。这表明二、三级火箭分离后,火箭飞行出现问题,第三级可能完成了与第二级的分离,但点火失败,失去动力的第三级与卫星沿着惯性弹道一同坠落在了第二级火箭附近。
从公布的情况来看。“银河”-2火箭前两级的海上溅落点位置都处于朝鲜公布的禁航区内,说明这两级实际按照计算弹道和程序完成了工作。但是两级都落在了宣布落点中心前数百千米的禁区前部边缘附近,说明发动机推力比预测的要低,或者制导系统误差较大,没有完全按照规划弹道控制火箭飞行。
朝鲜运载火箭结构与技术来源分析
1998年朝鲜没有公布运载火箭的名称,因此外界用与其对应的导弹名称“大浦洞”-1称呼。这次朝鲜公布了其运载火箭的官方名称为“银河”-2,所发射卫星为“光明星”-2,因此1998年发射“光明星”-1号卫星的估计应该是“银河”-1火箭。朝鲜在1998年曾经公布了外界所谓的“大浦洞”-1导弹(“银河”-1)的发射视频,这次又公布了“银河”-2火箭的视频,使我们有可能对外界传闻的朝鲜运载火箭的结构进行分析和判断。
从外观来看,“银河”-1和“银河”-2火箭差别较大。“银河”-1较为细长,其第二、三级不明显,长径比较大,横向载荷系数有限。这种火箭的结构强度不高,如果要增加推力,只有采用一级火箭外部捆绑式结构。这适合运载火箭,要发展成军用导弹并不适合,因为捆绑后,导弹外部不规则,系统运输、维护都非常困难,缺乏进一步发展的潜力。“银河”-2似乎更像典型的三级火箭,三级的直径各不相同。
在朝鲜公布“银河”-2火箭视频前,国外专家通过卫星影像计算“银河”-2的一级火箭直径约为2.2米。公布“银河”-2火箭外观后,普遍认为其最大直径为2”4米。假设这一判断较为准确,从照片我们就可以判断出其各级的外观尺寸和直径,并可对其技术传承做出判断。
利用中小型火箭“搭积木”组合成较大型火箭的方式,是世界各国火箭发展的共同道路,苏联、美国和我国在运载火箭发展中都曾采用过上下对接或捆绑方式发展多级火箭。因此朝鲜在运载火箭发展初期为降低技术风险,很可能也采用这种方式。
我们对“银河”-2火箭照片进行量算得知,其第一级直径2.4米,长16.8米;第二级直径1.44米,长9.6米;第三级直径1.2米,长6米。利用这些数据可以验证国外的一些传闻。
火箭第一级:很早就有专家认为“银河”-2采用4枚“劳动”导弹横向捆绑方式。“劳动”导弹发动机实际是苏联“飞毛腿”B导弹发动机的尺寸放大型。从外部尺寸看,“劳动”导弹弹径1.2米,长15.5米。如果采用4枚捆绑,直径和长度与“银河”-2第一级直径2.4米、长16.8米的数据基本相符。长度的出入可能是由于量算误差或火箭连接部分的冗余部分。捆绑后的4个火箭发动机很可能使用同一个燃料箱,从“银河”-2的发射照片也可看出其底部火焰是从4个主发动机喷射出来的,
火箭第二级:外界始终传闻朝鲜曾获得了苏联提供的潜射型SS-N-6导弹。该导弹弹径1.5米,长9.65米,与“银河”-2第二级直径1.44米、长9.6米的数据基本相符。SS-N-6是苏联较为先进的一种导弹,本身射程就达到2 400千米,特别是其采用的轻量化材料和紧凑型设计是朝鲜目前难以掌握的。
火箭第三级:比较难以判断的是第三级,外界一直传闻该级是朝鲜仿制苏联的战役战术弹道导弹SS-21“圣甲虫”而发展出来的KN-02导弹。该导弹使用固体燃料,射程120千米。KN-02与SS-21近似,弹径0.65米,长6.4米,而“银河”-2第三级直径1.2米,长6米,虽然长度近似,可弹径相差较大。从发射效率来看,第三级的体积和重量应该是最小的,这要求其一般采用推进效率较高的液氢或固体燃料,而低温液氢技术不适合导弹使用,而且技术门槛较高,估计不为朝鲜所掌握,因而采用固体燃料发动机的可能性较大,也说明朝鲜已经有能力设计新的固体火箭发动机。并肯定已经完成地面试验,更重要的是与其相对应的应该有一种全新的直径更大(射程更远)的固体燃料导弹。
按照这一方法我们对“银河”-1火箭进行分析,也基本验证了此前传闻。以前外界一直猜测“大浦洞”-1(“银河”-1)导弹为“劳动”导弹上接“飞毛腿”c组合而成的。我们量算发现,“银河”-1第一级直径1.24米,长15.5米:第二级直径0.8米,长10.3米。“劳动”导弹弹径1.2米,长15.5米;“飞毛腿”c导弹弹径0.88米,长10.2米。两者基本相符。只是第三级直径0,8米、长度3米与KN-02直径0.65米、长度6.4米,相差较大。这说 明早在1998年朝鲜就已经有能力对KN-02导弹固体火箭发动机进行改造了。这基本可以验证外界对“大浦洞”-1导弹技术来源的猜测。
朝鲜远程导弹能力分析
2009年4月的朝鲜发射活动受到了美国、日本陆地、海上和空中多种传感器的探测和监视。虽然美国没有透露发射的有关信息,但火箭和前两级弹道的有关信息都已被公开。从“银河”-2的结构和此次发射结果来看,与“银河”-2运载火箭对应的朝鲜远程导弹能力已经得到重大突破。
卫星载荷能力 此次朝鲜发射的卫星大小和质量都无从得知,但世界各国发射的第一颖人造卫星质量都不太大。例如:苏联第一颗人造卫星质量83千克,美国的为14千克,我国的为172千克。朝鲜宣称这次发射火箭按计划完成了542秒发动机燃烧时间,计划将卫星投送到490千米和1426千米的轨道上。这要求发射火箭必须达到每秒7.88千米的速度,才能达到490千米高度的轨道。我们比较一下朝鲜卫星发射与我国第一颗卫星发射,可以大致推测朝鲜火箭的载荷情况。我国第一颗卫星由“长征”-1发射,它是在我国中远程运载火箭基础上,利用该火箭第一、二级加以改装,再增加新的第三级固体火箭组合而成。我们从国外媒体对我国运载火箭的评论可以知道,我国1970年1月研制成功的第一代中远程运载火箭采用两级液体燃料火箭发动机,全长27.5米,直径2.4米,起飞重量82吨,最大射程4 000-7000千米。“银河”-2火箭前两级长度为26.4米,与“长征”-1总长度接近。但我国“长征”-1前两级的直径基本一样,而“银河”-2火箭第一级到第二级的直径从2.4米减少到了1.44米,前两级的整体体积比“长征”-1小27%。也就是说在前两级,“长征”-1比“银河”-2装载的燃料要多近1/3,这将使有效载荷质量提高一倍以上。因此如果我们假设第三级质量相同,燃料效率一致,那么朝鲜火箭的有效载荷也要比中国173千克的卫星质量小一半左右,也就是约86千克。我们结合朝鲜公布的视频照片对火箭头部有效载荷分析。估计卫星和投放机械机构及卫星与第三级的联结结构的质量大约有300千克。
朝鲜在1998年发射时曾展示过一个类似我国第一颗卫星的设计,但普遍认为朝鲜的卫星质量更小。其发射的两颗卫星都类似美国1962年发射的直径为0.88米、质量77千克的TELSTAR1型通信卫星。这与我们前面的分析基本是一致的。但这是三级运载火箭的卫星载荷能力,而弹道导弹一般只有两级,而且载荷质量要求较大。
导弹运载能力 1998年“银河”-1火箭发射中的第二级溅落点距离发射点1 646千米,2009年“银河”-2火箭的第二级溅落点距离发射点达到了3 200千米。可见,如果将这次发射的火箭转换成弹道导弹,与1998年时相比。射程延长了1倍以上。由于“银河”-2第三级火箭能力有限,因此其对应的“大浦洞”-2导弹不可能采用三级方式,而采用二级方式,这样一来“银河”-2的整个第三级就几乎相当于“大浦洞”-2导弹的弹头,可见其运载能力是相当可观的。
从前面中国“长征”-1与“银河”-2火箭的比较可以知道,“银河”-2前两级(相当于“大浦洞”-2导弹)的运载能力比“长征”-1,小1/3-1/2,考虑到其体积比“长征”-1小。整体质量可能也会相对小,因此其在4 000千米射程时载荷大致为1 200千克。如果要将弹头打到阿拉斯加和夏威夷,及美国其余48个州中的一半,朝鲜就必须发展效率更高的三级火箭型导弹,用有更高推力和更短燃烧时间的火箭代替“银河”-2的第三级。它还能通过使用更先进的推进剂,或利用诸如铝合金的轻型材料生产弹体。以减少结构重量而提高第一级推力。从这次发射来看,其目前尚不具备这种能力。
朝鲜远程导弹发展的技术难点
从前面分析可以看出,虽然朝鲜火箭或导弹技术取得了重大进展,但并不代表其有能力延续这种发展态势,在更严厉的国际制裁和更高的技术门槛情况下,朝鲜远程导弹发展甚至运载火箭发展将面临更大的困难,其技术难点也将越来越难以克服。朝鲜在远程导弹发展中主要存在以下几个大的技术难点。
关键部件无法自主生产,底牌有限前面分析认为,朝鲜运载火箭的第二级很可能是源于苏联的SS-N-6导弹,这种导弹结构较为紧凑、复杂,朝鲜有可能对其进行反设计,但其中的工艺和材料是其工业基础无法解决的。例如。SS-N-6为缩短导弹长度、减轻质量,一是采用了双层共底设计将氧化剂箱与燃料箱隔开,取消了箱间段;二是采用潜入式液体火箭发动机,缩短了尾段长度,即将主发动机潜入燃料箱中;三是弹体各舱段不采用可卸式连接,全部用氩弧焊焊接在一起,构成铝合金密封壳体;四是壳体蒙皮和箱底化铣成网格状,使质量进一步减轻。可见,SS-N-6导弹的工业水平已经达到较高水准,这是朝鲜难以复制的。如果朝鲜要克隆设计,就只有进行满足自身工业水平的设计改造,这无疑将使第二级的体积变大(主要是长度增大)。但从外观尺寸来看,朝鲜并没有这样做。这就是说“银河”-2火箭的第二级并不是自己重新改造设计或自主生产的,很可能采用了从隐蔽渠道获得的现成品。
朝鲜经济以重工业为主,拥有众多机械制造部门,但其需要从国外采购大量机械工具,以制造导弹弹体、燃料箱、管状材料和其它基本部件。目前朝鲜能制造氧化剂、火箭用燃料、电缆、集成电路、导弹用特种钢,但仍依赖外界获取制导系统所用的先进电子元件和其它高级硬件。
完成一种新型导弹系统的设计和工程试验一般需要7~10年时间,这期间需要经过10-20次飞行试验,另外还需要建造发射平台进行3-7次发射试验,才能展开部署和实战使用。朝鲜在几年时间里仅用几枚实弹就成功地反向研究出了多种导弹和运载火箭,这也不能不说是一个奇迹,但奇迹背后可能是采用了大量外部引进的现有成熟部件。
当然,如果我们推测正确,那么就意味着朝鲜可用于试验和部署的导弹将是非常有限的,这取决于其获得过多少SS-N-6导弹或外来零部件,这对于了解朝鲜在导弹危机中的底牌非常重要。
没有验证弹头再入技术,难以武器化 已经有很多人讨论过朝鲜卫星发射与导弹试验的区别,其中一个最大的问题就是卫星无需再入大气层就可工作,而导弹需要再入大气层后才可以发挥作用。导弹弹头再入是一个世界级的难题,包括高温烧蚀、尾迹、等离子鞘、气动力、粒子云侵蚀及弹头的滚动等多个问题。这要求科技人员不仅要掌握弹头姿态控制技术,更重要的是还需要能制造生产弹头防热罩。弹道导弹的弹头再入速度很大,一般相当于陨星体坠落的速度,因此弹头再入所接触的空气将受到强烈的压缩,弹头飞行速度急速降低,弹头的大部分动能就转化成了热能,使其周围的空气和自身的温度迅速上升,最高可达到7 000-11 000℃,这样的高温会使普通金属材 料制造的弹头壳体融化,因此弹头壳体上需要敷上一层耐高温烧蚀的保护层。如果保护层技术和质量不佳,也会产生一定程度的烧蚀和机械剥蚀,使弹头壳体出现凹陷、沟槽、花纹、鱼鳞坑等异常形变,轻则影响弹头再入气动飞行稳定性,使其失去控制,重则导致弹头烧毁和解体。因此需要对弹头再入飞行进行反复试验,以检验其再入弹道设计、弹头姿态控制和弹头耐热材料选用等。虽然朝鲜已经解决了1 300千米射程“劳动”导弹弹头的再入问题,但这与射程7 000千米以上的“大浦洞”-2导弹不可相提并论。目前朝鲜的远程火箭或导弹试验都没有机会检验弹头再入过程,以验证相关技术。虽然热防护技术和材料已经发展了40多年,朝鲜有可能具备开发热防护罩的能力,但有关耐热材料和外形设计在没有试验数据的情况下是难以选择和克隆的。
多次发射失败,系统可靠性不高从朝鲜两次火箭和一次导弹试验全部失败的过程来看,朝鲜弹道导弹和人造卫星发射的核心技术——多级火箭分离技术还存在缺陷。像朝鲜这种串联联结的多级导弹一般有“热分离”和“冷分离”两种分离方式。“热分离”即是上一级先点火,下一级再爆炸切割分离。“冷分离”则是上下级火箭先分离,上一级再点火启动。固体或固液混合的火箭多采用冷分离方式。这种方式的过程大致是:关闭下一级火箭发动机、利用爆炸螺栓的起爆解脱联结件,或利用炸药索炸断级间段蒙皮的分离部位,使上下级火箭分离开,然后启动下级制动火箭使被分离的弹体减速,在上下级间有了一定安全距离后,启动上一级的火箭发动机。使导弹获得推力继续加速飞行。整个过程比较复杂,需要多次启动火工品,任何次序或时间的失误都可能造成分离失败。2009年4月的这次失败就被怀疑是液体燃料的二级和固体燃料的三级火箭未成功分离而一起坠落,导致日本观测到二级火箭落点前方出现了多个不明坠落物。级间分离问题是导弹发展的重要技术瓶颈,即使导弹技术发达的国家也可能出现这种问题。例如,俄罗斯前期“布拉瓦”导弹试验接连失败,俄罗斯军方宣称至少有一次是由于电爆管威力不足而导致火箭分离失败而造成的。朝鲜经历的两次火箭和一次导弹试验出现问题的时机和现象均不相同,这表明其系统整体可靠性不高。这与工业生产中的质量控制、工艺水平和可靠性设计均有关系,因此一时难以解决。
弹头载荷有限,无可用的核弹头从前面朝鲜远程导弹运载能力的分析我们知道,“大浦洞”-2是有能力携带1 000千克左右弹头的。由于远程导弹精度较差,因此这一载荷使用常规弹头是没有意义的,但可以满足经过小型工程化核弹头的需要。虽然朝鲜在2006年6月和2009年5月均进行了地下核试验,但对这两次试验许多专家仍持怀疑态度。2009年5月核试验产生的震级为里氏4.5~5级。对应的爆炸当量约2 000~6 000吨TNT,但后来许多研究机构将测得的震级更正为4.5~5级的一半以下,这样爆炸当量就只有4千吨甚至更小。比以前预测的12千-20千吨当量的广岛式核装置要小得多。此前其它所有核国家的首次核试验都要比朝鲜这次核试验的当量要大。
外界一般认为核爆当量较小有以下几种原因:一是核装置引爆失败;二是核装置采用了为更小当量的较少裂变材料(导弹弹头或手提箱式核弹)而设计的高技术设计:三是朝鲜使用常规炸药谎称为核爆炸;四是朝鲜在一个巨大岩洞内引爆了较大装置以较少爆炸威力的对外扩散。目前的军控核查技术很容易排除第三、四种情况,而对于刚刚起步的核研究和质量不高的核材料而言,第二种可能也不大,最有可能的是第一种情况。需要明确的是朝鲜这两次核试验的确实现了核爆炸,并初步掌握了核爆技术,只是爆炸效率较低,没有充分利用核材料,因此说其核试验是失败的。对于朝鲜而言,也许证明掌握了核爆技术即达到了试验的目的,也算是成功的。
对于简单的核武器设计是无需试验验证的。例如,美国在二战结束前研制了两种技术原理的原子弹,共制造了三颗,在1945年“三一”试验中,验证了更复杂和先进的引爆技术,从而对更简单些的铀235引爆设计建立了信心,最终直接在战场上使用了这种没有经过试验的原子弹。当然这种落后技术的原子弹的重量是无法满足朝鲜导弹载荷要求的。
朝鲜的核弹之所以爆炸不充分,一方面可能是其使用的钚纯度不高,另一方面有可能是使其达到临界体积的常规爆炸不完美,没有实现设计要求的同时启爆,因此其链式反应不充分。第一种情况是由国际制裁和朝鲜核工业水平决定的,一时无法改变。第二种情况则由设计、炸药加工和火工品质量所决定的,在这种情况下,如果将其装在导弹上,弹头再入时的高速运动、振动和急剧减速、甚至撞击等恶劣环境都可能导致炸药球的变形和火工品的失效,因此在地面试验不完全的情况下,将其装入弹头的技术风险较大。
从以上分析可以看出,朝鲜导弹和核武器发展虽然迅猛,但由于其部件来源和技术局限,其未来发展将会遭遇较大困难。
朝鲜的两次卫星发射情况
朝鲜分别在1998年和2009年利用不同火箭进行了卫星试验发射,并在2006年利用类似火箭进行了一次导弹试射。虽然试验均以失败告终,但每次试射都取得了一定的技术进步。
1998年的卫星试射1998年8月31日。朝鲜宣称发射“光明星”-1号卫星,外界普遍认为该火箭是在两级的“大浦洞”-1型导弹上加装了一级而组成的三级运载火箭。第一级飞行95秒后分离,落入距发射场253千米的日本海域。第二级飞行266秒后分离,落入距发射场1646千米的太平洋海域。第三级在293秒时将卫星送入椭圆轨道,但卫星很快解体。此次发射由于飞跃日本领土上空,成为日本和美国以后发展导弹防御系统的借口。
2009年的卫星试射2009年2月朝鲜宣布其正在准备发射1颗名为“光明星”-2号的“通信试验卫星”,3月再次向国际海事组织发出通报,称第一级助推火箭将坠落在距离成镜北道花台郡舞水端里试验场650千米远的日本海上,第二级助推火箭将坠落在3 600千米远的北太平洋上。这表明此次发射的为三级火箭。4月5日,朝鲜在成镜北道舞水端里发射场试射了一枚被称为“银河”-2的火箭,火箭第一级落入距离发射点540千米、日本300千米的日本海内,第二级成功点火并与第一级分离,火箭在400千米高度飞越日本上空,第二级溅落在距离发射点大约3 200千米的太平洋上,落在了比宣布落点中心近数百千米的地方,第二级弹道最大高度达到了485千米。发射过程中出现的火箭分离、次级点火等技术在1998年8月的卫星发射中已经得到了验证。
此后,日本军方观测到有两件以上的不明物体坠落在了相近海域内,并未发现有后续物体点火或继续飞行。由于日本北部处于观测飞越日本上空火箭的较佳位置,其观测应该是可信的。这表明二、三级火箭分离后,火箭飞行出现问题,第三级可能完成了与第二级的分离,但点火失败,失去动力的第三级与卫星沿着惯性弹道一同坠落在了第二级火箭附近。
从公布的情况来看。“银河”-2火箭前两级的海上溅落点位置都处于朝鲜公布的禁航区内,说明这两级实际按照计算弹道和程序完成了工作。但是两级都落在了宣布落点中心前数百千米的禁区前部边缘附近,说明发动机推力比预测的要低,或者制导系统误差较大,没有完全按照规划弹道控制火箭飞行。
朝鲜运载火箭结构与技术来源分析
1998年朝鲜没有公布运载火箭的名称,因此外界用与其对应的导弹名称“大浦洞”-1称呼。这次朝鲜公布了其运载火箭的官方名称为“银河”-2,所发射卫星为“光明星”-2,因此1998年发射“光明星”-1号卫星的估计应该是“银河”-1火箭。朝鲜在1998年曾经公布了外界所谓的“大浦洞”-1导弹(“银河”-1)的发射视频,这次又公布了“银河”-2火箭的视频,使我们有可能对外界传闻的朝鲜运载火箭的结构进行分析和判断。
从外观来看,“银河”-1和“银河”-2火箭差别较大。“银河”-1较为细长,其第二、三级不明显,长径比较大,横向载荷系数有限。这种火箭的结构强度不高,如果要增加推力,只有采用一级火箭外部捆绑式结构。这适合运载火箭,要发展成军用导弹并不适合,因为捆绑后,导弹外部不规则,系统运输、维护都非常困难,缺乏进一步发展的潜力。“银河”-2似乎更像典型的三级火箭,三级的直径各不相同。
在朝鲜公布“银河”-2火箭视频前,国外专家通过卫星影像计算“银河”-2的一级火箭直径约为2.2米。公布“银河”-2火箭外观后,普遍认为其最大直径为2”4米。假设这一判断较为准确,从照片我们就可以判断出其各级的外观尺寸和直径,并可对其技术传承做出判断。
利用中小型火箭“搭积木”组合成较大型火箭的方式,是世界各国火箭发展的共同道路,苏联、美国和我国在运载火箭发展中都曾采用过上下对接或捆绑方式发展多级火箭。因此朝鲜在运载火箭发展初期为降低技术风险,很可能也采用这种方式。
我们对“银河”-2火箭照片进行量算得知,其第一级直径2.4米,长16.8米;第二级直径1.44米,长9.6米;第三级直径1.2米,长6米。利用这些数据可以验证国外的一些传闻。
火箭第一级:很早就有专家认为“银河”-2采用4枚“劳动”导弹横向捆绑方式。“劳动”导弹发动机实际是苏联“飞毛腿”B导弹发动机的尺寸放大型。从外部尺寸看,“劳动”导弹弹径1.2米,长15.5米。如果采用4枚捆绑,直径和长度与“银河”-2第一级直径2.4米、长16.8米的数据基本相符。长度的出入可能是由于量算误差或火箭连接部分的冗余部分。捆绑后的4个火箭发动机很可能使用同一个燃料箱,从“银河”-2的发射照片也可看出其底部火焰是从4个主发动机喷射出来的,
火箭第二级:外界始终传闻朝鲜曾获得了苏联提供的潜射型SS-N-6导弹。该导弹弹径1.5米,长9.65米,与“银河”-2第二级直径1.44米、长9.6米的数据基本相符。SS-N-6是苏联较为先进的一种导弹,本身射程就达到2 400千米,特别是其采用的轻量化材料和紧凑型设计是朝鲜目前难以掌握的。
火箭第三级:比较难以判断的是第三级,外界一直传闻该级是朝鲜仿制苏联的战役战术弹道导弹SS-21“圣甲虫”而发展出来的KN-02导弹。该导弹使用固体燃料,射程120千米。KN-02与SS-21近似,弹径0.65米,长6.4米,而“银河”-2第三级直径1.2米,长6米,虽然长度近似,可弹径相差较大。从发射效率来看,第三级的体积和重量应该是最小的,这要求其一般采用推进效率较高的液氢或固体燃料,而低温液氢技术不适合导弹使用,而且技术门槛较高,估计不为朝鲜所掌握,因而采用固体燃料发动机的可能性较大,也说明朝鲜已经有能力设计新的固体火箭发动机。并肯定已经完成地面试验,更重要的是与其相对应的应该有一种全新的直径更大(射程更远)的固体燃料导弹。
按照这一方法我们对“银河”-1火箭进行分析,也基本验证了此前传闻。以前外界一直猜测“大浦洞”-1(“银河”-1)导弹为“劳动”导弹上接“飞毛腿”c组合而成的。我们量算发现,“银河”-1第一级直径1.24米,长15.5米:第二级直径0.8米,长10.3米。“劳动”导弹弹径1.2米,长15.5米;“飞毛腿”c导弹弹径0.88米,长10.2米。两者基本相符。只是第三级直径0,8米、长度3米与KN-02直径0.65米、长度6.4米,相差较大。这说 明早在1998年朝鲜就已经有能力对KN-02导弹固体火箭发动机进行改造了。这基本可以验证外界对“大浦洞”-1导弹技术来源的猜测。
朝鲜远程导弹能力分析
2009年4月的朝鲜发射活动受到了美国、日本陆地、海上和空中多种传感器的探测和监视。虽然美国没有透露发射的有关信息,但火箭和前两级弹道的有关信息都已被公开。从“银河”-2的结构和此次发射结果来看,与“银河”-2运载火箭对应的朝鲜远程导弹能力已经得到重大突破。
卫星载荷能力 此次朝鲜发射的卫星大小和质量都无从得知,但世界各国发射的第一颖人造卫星质量都不太大。例如:苏联第一颗人造卫星质量83千克,美国的为14千克,我国的为172千克。朝鲜宣称这次发射火箭按计划完成了542秒发动机燃烧时间,计划将卫星投送到490千米和1426千米的轨道上。这要求发射火箭必须达到每秒7.88千米的速度,才能达到490千米高度的轨道。我们比较一下朝鲜卫星发射与我国第一颗卫星发射,可以大致推测朝鲜火箭的载荷情况。我国第一颗卫星由“长征”-1发射,它是在我国中远程运载火箭基础上,利用该火箭第一、二级加以改装,再增加新的第三级固体火箭组合而成。我们从国外媒体对我国运载火箭的评论可以知道,我国1970年1月研制成功的第一代中远程运载火箭采用两级液体燃料火箭发动机,全长27.5米,直径2.4米,起飞重量82吨,最大射程4 000-7000千米。“银河”-2火箭前两级长度为26.4米,与“长征”-1总长度接近。但我国“长征”-1前两级的直径基本一样,而“银河”-2火箭第一级到第二级的直径从2.4米减少到了1.44米,前两级的整体体积比“长征”-1小27%。也就是说在前两级,“长征”-1比“银河”-2装载的燃料要多近1/3,这将使有效载荷质量提高一倍以上。因此如果我们假设第三级质量相同,燃料效率一致,那么朝鲜火箭的有效载荷也要比中国173千克的卫星质量小一半左右,也就是约86千克。我们结合朝鲜公布的视频照片对火箭头部有效载荷分析。估计卫星和投放机械机构及卫星与第三级的联结结构的质量大约有300千克。
朝鲜在1998年发射时曾展示过一个类似我国第一颗卫星的设计,但普遍认为朝鲜的卫星质量更小。其发射的两颗卫星都类似美国1962年发射的直径为0.88米、质量77千克的TELSTAR1型通信卫星。这与我们前面的分析基本是一致的。但这是三级运载火箭的卫星载荷能力,而弹道导弹一般只有两级,而且载荷质量要求较大。
导弹运载能力 1998年“银河”-1火箭发射中的第二级溅落点距离发射点1 646千米,2009年“银河”-2火箭的第二级溅落点距离发射点达到了3 200千米。可见,如果将这次发射的火箭转换成弹道导弹,与1998年时相比。射程延长了1倍以上。由于“银河”-2第三级火箭能力有限,因此其对应的“大浦洞”-2导弹不可能采用三级方式,而采用二级方式,这样一来“银河”-2的整个第三级就几乎相当于“大浦洞”-2导弹的弹头,可见其运载能力是相当可观的。
从前面中国“长征”-1与“银河”-2火箭的比较可以知道,“银河”-2前两级(相当于“大浦洞”-2导弹)的运载能力比“长征”-1,小1/3-1/2,考虑到其体积比“长征”-1小。整体质量可能也会相对小,因此其在4 000千米射程时载荷大致为1 200千克。如果要将弹头打到阿拉斯加和夏威夷,及美国其余48个州中的一半,朝鲜就必须发展效率更高的三级火箭型导弹,用有更高推力和更短燃烧时间的火箭代替“银河”-2的第三级。它还能通过使用更先进的推进剂,或利用诸如铝合金的轻型材料生产弹体。以减少结构重量而提高第一级推力。从这次发射来看,其目前尚不具备这种能力。
朝鲜远程导弹发展的技术难点
从前面分析可以看出,虽然朝鲜火箭或导弹技术取得了重大进展,但并不代表其有能力延续这种发展态势,在更严厉的国际制裁和更高的技术门槛情况下,朝鲜远程导弹发展甚至运载火箭发展将面临更大的困难,其技术难点也将越来越难以克服。朝鲜在远程导弹发展中主要存在以下几个大的技术难点。
关键部件无法自主生产,底牌有限前面分析认为,朝鲜运载火箭的第二级很可能是源于苏联的SS-N-6导弹,这种导弹结构较为紧凑、复杂,朝鲜有可能对其进行反设计,但其中的工艺和材料是其工业基础无法解决的。例如。SS-N-6为缩短导弹长度、减轻质量,一是采用了双层共底设计将氧化剂箱与燃料箱隔开,取消了箱间段;二是采用潜入式液体火箭发动机,缩短了尾段长度,即将主发动机潜入燃料箱中;三是弹体各舱段不采用可卸式连接,全部用氩弧焊焊接在一起,构成铝合金密封壳体;四是壳体蒙皮和箱底化铣成网格状,使质量进一步减轻。可见,SS-N-6导弹的工业水平已经达到较高水准,这是朝鲜难以复制的。如果朝鲜要克隆设计,就只有进行满足自身工业水平的设计改造,这无疑将使第二级的体积变大(主要是长度增大)。但从外观尺寸来看,朝鲜并没有这样做。这就是说“银河”-2火箭的第二级并不是自己重新改造设计或自主生产的,很可能采用了从隐蔽渠道获得的现成品。
朝鲜经济以重工业为主,拥有众多机械制造部门,但其需要从国外采购大量机械工具,以制造导弹弹体、燃料箱、管状材料和其它基本部件。目前朝鲜能制造氧化剂、火箭用燃料、电缆、集成电路、导弹用特种钢,但仍依赖外界获取制导系统所用的先进电子元件和其它高级硬件。
完成一种新型导弹系统的设计和工程试验一般需要7~10年时间,这期间需要经过10-20次飞行试验,另外还需要建造发射平台进行3-7次发射试验,才能展开部署和实战使用。朝鲜在几年时间里仅用几枚实弹就成功地反向研究出了多种导弹和运载火箭,这也不能不说是一个奇迹,但奇迹背后可能是采用了大量外部引进的现有成熟部件。
当然,如果我们推测正确,那么就意味着朝鲜可用于试验和部署的导弹将是非常有限的,这取决于其获得过多少SS-N-6导弹或外来零部件,这对于了解朝鲜在导弹危机中的底牌非常重要。
没有验证弹头再入技术,难以武器化 已经有很多人讨论过朝鲜卫星发射与导弹试验的区别,其中一个最大的问题就是卫星无需再入大气层就可工作,而导弹需要再入大气层后才可以发挥作用。导弹弹头再入是一个世界级的难题,包括高温烧蚀、尾迹、等离子鞘、气动力、粒子云侵蚀及弹头的滚动等多个问题。这要求科技人员不仅要掌握弹头姿态控制技术,更重要的是还需要能制造生产弹头防热罩。弹道导弹的弹头再入速度很大,一般相当于陨星体坠落的速度,因此弹头再入所接触的空气将受到强烈的压缩,弹头飞行速度急速降低,弹头的大部分动能就转化成了热能,使其周围的空气和自身的温度迅速上升,最高可达到7 000-11 000℃,这样的高温会使普通金属材 料制造的弹头壳体融化,因此弹头壳体上需要敷上一层耐高温烧蚀的保护层。如果保护层技术和质量不佳,也会产生一定程度的烧蚀和机械剥蚀,使弹头壳体出现凹陷、沟槽、花纹、鱼鳞坑等异常形变,轻则影响弹头再入气动飞行稳定性,使其失去控制,重则导致弹头烧毁和解体。因此需要对弹头再入飞行进行反复试验,以检验其再入弹道设计、弹头姿态控制和弹头耐热材料选用等。虽然朝鲜已经解决了1 300千米射程“劳动”导弹弹头的再入问题,但这与射程7 000千米以上的“大浦洞”-2导弹不可相提并论。目前朝鲜的远程火箭或导弹试验都没有机会检验弹头再入过程,以验证相关技术。虽然热防护技术和材料已经发展了40多年,朝鲜有可能具备开发热防护罩的能力,但有关耐热材料和外形设计在没有试验数据的情况下是难以选择和克隆的。
多次发射失败,系统可靠性不高从朝鲜两次火箭和一次导弹试验全部失败的过程来看,朝鲜弹道导弹和人造卫星发射的核心技术——多级火箭分离技术还存在缺陷。像朝鲜这种串联联结的多级导弹一般有“热分离”和“冷分离”两种分离方式。“热分离”即是上一级先点火,下一级再爆炸切割分离。“冷分离”则是上下级火箭先分离,上一级再点火启动。固体或固液混合的火箭多采用冷分离方式。这种方式的过程大致是:关闭下一级火箭发动机、利用爆炸螺栓的起爆解脱联结件,或利用炸药索炸断级间段蒙皮的分离部位,使上下级火箭分离开,然后启动下级制动火箭使被分离的弹体减速,在上下级间有了一定安全距离后,启动上一级的火箭发动机。使导弹获得推力继续加速飞行。整个过程比较复杂,需要多次启动火工品,任何次序或时间的失误都可能造成分离失败。2009年4月的这次失败就被怀疑是液体燃料的二级和固体燃料的三级火箭未成功分离而一起坠落,导致日本观测到二级火箭落点前方出现了多个不明坠落物。级间分离问题是导弹发展的重要技术瓶颈,即使导弹技术发达的国家也可能出现这种问题。例如,俄罗斯前期“布拉瓦”导弹试验接连失败,俄罗斯军方宣称至少有一次是由于电爆管威力不足而导致火箭分离失败而造成的。朝鲜经历的两次火箭和一次导弹试验出现问题的时机和现象均不相同,这表明其系统整体可靠性不高。这与工业生产中的质量控制、工艺水平和可靠性设计均有关系,因此一时难以解决。
弹头载荷有限,无可用的核弹头从前面朝鲜远程导弹运载能力的分析我们知道,“大浦洞”-2是有能力携带1 000千克左右弹头的。由于远程导弹精度较差,因此这一载荷使用常规弹头是没有意义的,但可以满足经过小型工程化核弹头的需要。虽然朝鲜在2006年6月和2009年5月均进行了地下核试验,但对这两次试验许多专家仍持怀疑态度。2009年5月核试验产生的震级为里氏4.5~5级。对应的爆炸当量约2 000~6 000吨TNT,但后来许多研究机构将测得的震级更正为4.5~5级的一半以下,这样爆炸当量就只有4千吨甚至更小。比以前预测的12千-20千吨当量的广岛式核装置要小得多。此前其它所有核国家的首次核试验都要比朝鲜这次核试验的当量要大。
外界一般认为核爆当量较小有以下几种原因:一是核装置引爆失败;二是核装置采用了为更小当量的较少裂变材料(导弹弹头或手提箱式核弹)而设计的高技术设计:三是朝鲜使用常规炸药谎称为核爆炸;四是朝鲜在一个巨大岩洞内引爆了较大装置以较少爆炸威力的对外扩散。目前的军控核查技术很容易排除第三、四种情况,而对于刚刚起步的核研究和质量不高的核材料而言,第二种可能也不大,最有可能的是第一种情况。需要明确的是朝鲜这两次核试验的确实现了核爆炸,并初步掌握了核爆技术,只是爆炸效率较低,没有充分利用核材料,因此说其核试验是失败的。对于朝鲜而言,也许证明掌握了核爆技术即达到了试验的目的,也算是成功的。
对于简单的核武器设计是无需试验验证的。例如,美国在二战结束前研制了两种技术原理的原子弹,共制造了三颗,在1945年“三一”试验中,验证了更复杂和先进的引爆技术,从而对更简单些的铀235引爆设计建立了信心,最终直接在战场上使用了这种没有经过试验的原子弹。当然这种落后技术的原子弹的重量是无法满足朝鲜导弹载荷要求的。
朝鲜的核弹之所以爆炸不充分,一方面可能是其使用的钚纯度不高,另一方面有可能是使其达到临界体积的常规爆炸不完美,没有实现设计要求的同时启爆,因此其链式反应不充分。第一种情况是由国际制裁和朝鲜核工业水平决定的,一时无法改变。第二种情况则由设计、炸药加工和火工品质量所决定的,在这种情况下,如果将其装在导弹上,弹头再入时的高速运动、振动和急剧减速、甚至撞击等恶劣环境都可能导致炸药球的变形和火工品的失效,因此在地面试验不完全的情况下,将其装入弹头的技术风险较大。
从以上分析可以看出,朝鲜导弹和核武器发展虽然迅猛,但由于其部件来源和技术局限,其未来发展将会遭遇较大困难。