朝鮮導彈彈頭燒蝕試驗及再入能力分析

張相國

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

彈頭燒蝕試驗情況

由于朝鮮只進行過大型火箭的衛(wèi)星發(fā)射，至今沒做過遠程導彈的飛行試驗，因此外界長期以來對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這一缺陷。

2016年3月15日，朝鮮《勞動新聞》報道，朝鮮成功完成遠程彈道導彈彈頭再入大氣層燒蝕試驗。試驗結(jié)果，全部技術(shù)指標達到了要求。此次試驗的方法是使用火箭發(fā)動機對模擬彈道導彈彈頭進行噴射，以模擬再入過程中彈頭與大氣摩擦產(chǎn)生的高溫高熱。試驗條件是超過實際再入溫度的5倍溫度，試驗效果如媒體報道，耐受住了遠程導彈彈頭再入大氣層時的高溫高壓和震動。此前，西方國家認為尚未有證據(jù)顯示朝鮮掌握遠程彈道導彈再入技術(shù)，此次試驗立刻引發(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合材料技術(shù)、燒蝕技術(shù)、末段制導技術(shù)等，這只有通過試射進行驗證。韓國認為朝鮮的模擬試驗與彈道導彈重返大氣層的環(huán)境有巨大差異。那么，什么是彈頭燒蝕試驗，試驗目的是什么呢？

彈頭再入環(huán)境分析

導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，飛行速度可達到每秒5千米至8千米，彈頭表面溫度達到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燒蝕的保護層，也難免被熔化。燒蝕最嚴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外形。否則，彈頭在射向目標的半途就燒毀了。正因這個原因，美國“大力神”導彈彈頭的頭幾次飛行試驗均告失敗，“民兵”3導彈采用的MK12彈頭在前兩次再入飛行試驗穿越大氣層時都被燒毀。導彈射程越遠，再入速度越大，需要解決的再入技術(shù)問題也就越復雜。

此外，彈頭再入大氣層期間，有時會遇到不利天候環(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造成機械損傷，產(chǎn)生嚴重的表面質(zhì)量損失，加劇了端頭形狀變化。這種天氣侵蝕效應進一步增加了端頭環(huán)境的復雜性。對遠程導彈，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產(chǎn)生較大影響。

可以看出，遠程導彈彈頭設計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目標之前已解體或燒毀。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

再入體設計降低了熱效應，但外形保守從朝鮮公布的抗燒蝕試驗照片可以看出，朝鮮此次試驗對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導彈改進型的頭部設計非常相似。朝鮮在2012年展示的KN-08導彈搭載的是帶有穩(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彈“舞水端”和“勞動”的改進型彈頭，但由于KN-08為遠程導彈，彈頭再入速度更快，對再入設計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導彈使用更尖銳的三級圓錐體要求，不得不改為現(xiàn)在的鈍形設計。這種鈍形設計常見于各國的早期彈頭。例如，美國“大力神”2洲際導彈使用的Mk6再入體，長約3.1米，底部直徑2.3米，半錐角12.5°。當時由于防熱材料沒有過關(guān)，一般都采用大球頭半徑，以減輕彈頭的氣動加熱，彌補防熱材料性能差的缺陷。但增大球頭半徑，顯然會使彈頭的氣動阻力明顯增加，落速減小。從減少雷達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，通常會演變?yōu)槎嗉増A錐體，端頭也會更加尖銳。美蘇是最早研制洲際彈道導彈的國家，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彈首先試驗了尖錐體，但很快發(fā)現(xiàn)難以克服氣動加熱問題。研究發(fā)現(xiàn)，氣動阻力越大，彈頭受到的熱量就越小，因為鈍頭在彈頭前方產(chǎn)生一個類似“氣墊”的空氣壓縮層，壓縮層可以把大量氣動加熱帶走。當然，“鈍頭體”也有缺點，即降低了再入速度，使預警與反導系統(tǒng)有更多的反應時間。因此蘇聯(lián)第一代洲際導彈采用了錐形的半球頭彈頭，在解決氣動加熱的同時保持了再入速度。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計中。

燒蝕試驗具有一定效果，但結(jié)論有限朝鮮在導彈再入體燒蝕試驗中采用了地面火箭發(fā)動機噴射燒蝕的方式，這也是各國導彈燒蝕試驗中較為常見的一種。朝鮮由于國土面積狹小，無法完成中程和遠程導彈全程飛行試驗，加之缺少遠洋海軍、遠洋測控船隊，向海上發(fā)射難以獲得遠洋海軍的支持，無法尋獲發(fā)射后再入彈頭，通過對其分析獲得第一手數(shù)據(jù)資料。而且在國際壓力下朝鮮也無法名正言順地進行遠程彈道導彈飛行試驗。此外，朝鮮的“大浦洞2號”導彈在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”和“光明星2號”衛(wèi)星據(jù)美國宣稱也都以失敗告終，朝鮮始終未有機會驗證其彈頭防熱能力。這使得朝鮮難以研制和驗證射程更遠的彈道導彈。為此，朝鮮把主要精力放在了地面模擬試驗上。

地面試驗是研究防熱和抗粒子云侵蝕問題的一個重要環(huán)節(jié)，但由于設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/侵蝕試驗的是空氣電弧加熱器和火箭發(fā)動機，它們的工作時間從幾秒至幾分鐘。此外，國外也有把空氣電弧加熱器與高速風洞結(jié)合起來進行燒蝕試驗的情況。例如，俄羅斯有專門用于彈道導彈彈頭再入試驗的一比一大型風洞，試驗最高速度能達10倍音速，溫度能達數(shù)千攝氏度。

從朝鮮試驗照片可看出，在試驗中，朝鮮技術(shù)人員將彈頭放置于一臺疑似為“勞動”導彈的發(fā)動機下面，靠發(fā)動機產(chǎn)生的尾焰灼燒彈頭以測試其防熱性能。這種方式創(chuàng)造的試驗環(huán)境非常有限。由于液體燃料火箭尾焰溫度并不會太高，難以真實模擬再入環(huán)境。韓國情報部門認為，朝鮮這種試驗只能產(chǎn)生1 500℃～ 1 600℃環(huán)境，而導彈再入段實際溫度將達7 000℃，因此其認為此次試驗不能說明朝鮮掌握了遠程導彈彈頭再入技術(shù)。

燒蝕材料精心選擇，但效果不能高估朝鮮此次試驗的主要是導彈彈頭的頭錐部分。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整個彈頭的氣動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加熱更加惡劣，二是由于這些部位重點受力，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)設計目前無論從材料研究還是設計方法尚不成熟，實現(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，在朝鮮設定的試驗條件下，試驗對象燒蝕完全可以接受，意味著試驗取得成功。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)動機噴射燒蝕難以達到再入環(huán)境較高的溫度指標，因此此次試驗并不能說明問題。

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KN-08改進型導彈的再入體分析看出，在再入體頭罩上有對稱的4個燃氣氣嘴，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一步完成再入，確保核裝置安全?？梢姵r可能通過較復雜和體積較大的再入體設計回避了高溫燒蝕問題，這可能就是朝鮮無需更高級材料和更高溫度的燒蝕試驗，而對再入技術(shù)充滿信心的原因。不過上述設計可能造成在導彈推力一定的情況下的核載荷減少，這對朝鮮核武器小型化提出了更高要求，同時也大幅度降低了導彈的打擊精度，需要更大當量的核武器來彌補。這些對朝鮮都是不小的考驗。