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战略导弹多弹头技术的由来与发展

归档日期:07-18       文本归类:集束多弹头      文章编辑:爱尚语录

  在第二次世界大战期间,V-1巡航导弹与V-2弹道导弹这些划时代的发明问世了。在此后将近70年的时间里,导弹家族日益庞大,而其中露面次数最少威慑力却最大的当数带有核弹头的战略弹道导弹了。在美苏争霸时代,被铁幕隔开的两个阵营相互试探相互揣测,为如何撕破对方的防御网络以及如何为自己构建一个完备的防御体系绞尽脑汁。战略导弹大多静静地待在深深的发射井中,直到退役也没有见过天日。如此先进的武器装备到底蕴含着多少秘密?让我们悄悄掀起它们的红盖头,看看躲在战略导弹整流罩下方的弹头上凝结的技术。

  20世纪50年代是弹道导弹发展的黄金时代。1951年1月,美国人开始对一种名为“宇宙神”(Atlas)的射程达到了12070公里的导弹进行方案论证。

  苏联在几乎同时也开始对射程为8000公里的R-7导弹的研究。(该导弹的昵称为“老七”,北约代号为SS-6“警棍”,后来被改造成了运载火箭,成功发射了世界上第一枚人造卫星。)

  同时起跑的美苏两国开始了导弹技术的赛跑。1957年6月11日,“宇宙神”抢先进行了首飞,但因发动机故障而失败。同年8月21日,R-7顺利完成了全程飞行试验,成为了世界上第一枚洲际弹道导弹。

  在同一时期,除了美国通用公司康维尔分公司的“宇宙神”外,还有马丁公司的射程为10140公里的“大力神”(Titan)、道格拉斯飞机公司承包的“雷神”(Thor)以及克莱斯勒公司承担批量生产任务的“朱庇特”(Jupiter)等射程较短的弹道导弹进入现役。一时间,西方神话里的诸神开始忙碌了起来。前苏联的SS-4、SS-5也加入了竞争的行列。

  美国马丁公司研制的Titan(大力神,或者音译为 泰坦)导弹,是美国第一枚多级式洲际弹道导弹,早期型号使用液氧煤油为燃料,后期型号改为偏二甲肼和四氧化二氮燃料。

  雷神弹道导弹高20米,直径2.4米,可携带一枚核弹头,射程为1850~3700公里。(小火箭从地图上量了一下这个距离,基本上可以保证从英国发射可以打到莫斯科)。该导弹由罗伯特特鲁阿克斯和阿道夫泰尔从1954年起进行初期研制,1955年11月30日道格拉斯飞机公司、洛克希德公司和北美飞机公司参与投标,12月27日道格拉斯获得弹体建造合同,北美飞机公司下属的洛克达因公司获得发动机合同。

  这一枚看上去有点儿眼熟的导弹是苏联R-12弹道导弹(北约代号SS-4)。

  SS-4弹道导弹的最大射程为2080公里,可以携带一枚230万吨级的核弹头。该导弹共生产2335枚,是当年苏联对西欧的主要导弹核威慑力量。当然,让很多人了解到这款导弹的事件还是要数“古巴导弹危机”。苏联在古巴的SS-4导弹部署引发了1962年的大事件。

  进入60年代,可贮存的液体燃料和固体燃料开始装备到导弹上。弹道导弹的反应速度、生存能力与可靠性都得到了较大幅度的提高。以美国的大力神2(见上图)、民兵1和苏联的SS-11等第二批战略导弹为代表的核武器威慑力量开始形成。这些导弹有一些共同点,它们十分强调在核战争中的生存能力并且无一例外地应用了当时技术条件下的最具破坏力的武器一枚硕大的核弹头。

  1961和1962两年,是带有核弹头的战略导弹由单弹头向多弹头变化的转折期。由于美苏双方都握有大量核导弹,为避免遭到毁灭性的核报复,战略导弹的第一波打击对象从人口稠密的大城市和重要工业基地扩展到了对方核导弹的发射井。但是,摧毁对方的导弹发射井是很困难的。首先,这些发射井的分布比较稀疏。

  以美国大力神1型导弹为例,其位于华盛顿州拉尔森空军基地的发射中队有3个发射阵地,这些阵地的相互距离在19.2公里到28.8公里之间。每个阵地有3口发射井,每个发射井由3172m的水泥和700吨钢筋建成,深48.3米。井盖则由两扇重达106吨的门紧紧盖住。以当时不足1000万TNT当量(10Mt TNT)当量的弹头来攻击的话,摧毁每个发射中队至少需要3枚导弹以足够高的精度命中发射井才行。

  美国的战略专家们以摧毁本国发射井的条件来推测摧毁前苏联全部发射井的导弹数量,发现即使是全部列装生产成本仅为宇宙神导弹三分之一的民兵1型导弹也无法满足“确保摧毁”的数量要求。于是,在生产了930枚民兵1型导弹和500枚民兵2型导弹后,美国开始萌生了研制多弹头导弹的想法。实际上,当时的制导控制系统已经能够开始勉强支撑多弹头导弹的需求了。上图为美国的科研人员正在测试一枚民兵2导弹的弹头。注意架子上写着KEEP HANDS CLEAR。

  说到制导舱,小火箭干脆把民兵1导弹的制导舱也找出来,以便和上面的民兵2的进行对比。

  或许是东方神话中哪咤的三头六臂和西方神话里那条看守地狱的拥有三个头的恶犬为导弹设计师提供了灵感。最早的多弹头导弹里装载的弹头数量就是三个。1962年8月,世界上第一枚多弹头弹道导弹“北极星A-3”进行了首次飞行试验。

  3个子弹头固定在导弹整流罩内的一个平台上,在接近目标时,该平台上的机械机构将三个弹头同时弹出,使弹头的落点形成了一个以瞄准点为中心的三角形。这种多弹头技术叫做集束式或者叫霰弹式,属于最原始的多弹头方案。

  多弹头导弹给当时的防守一方带来了巨大威胁,胜利的天平似乎已经开始向进攻一方倾斜。这张照片记录了时任美国总统肯尼迪和英国首相莫里斯哈罗德麦克米伦摄于1961年3月27日的Key West海军基地。他们共同推进了“北极星”导弹计划。

  但是,1964年的红场阅兵上首次披露的一款导弹带来了新的平衡。世界上第一套反弹道导弹系统出现了。这款名为A-35 “橡皮套鞋”的反导导弹用“以核制核”的策略,将一枚核弹头送到来袭导弹入侵的空域后引爆,用核爆炸的巨大破坏力和杀伤半径来弥补制导精度的不足。

  集束式导弹的子弹头没有各自的制导系统,就像一把在空中碎裂的石块。为了不损失太多精度,这些子弹头的间距一般不超过10公里。北极星A-3的三个子弹头的间距只有1.6公里,在橡皮套鞋的核爆炸下,三枚弹头有被一网打尽的可能。上图是1967年美国KH-7侦察卫星拍摄到的A-35反导系统的预警雷达。

  这是当年的橡皮鞋套反导系统在莫斯科的部署示意图。喜欢用导弹作战效能分析和弹道拦截仿真进行计算的小火箭好友可以对这种布置方式进行分析。黑色实心的导弹表示的是已经部署了反导导弹的阵地,白色竖条表示将要部署的阵地。

  后来有了升级版的反导系统在莫斯科附近的布置位置示意图。黑色实心的是53T6s导弹,白色带竖条的表示51T6s导弹。好友们也可以通过比较,分析为什么阵地的布置方式为什么会发生这样的变化呢?

  面对如此粗暴但却如此有效的防御系统,第二代多弹头技术应运而生。这种多弹头技术叫做分导式。顾名思义,分导即是对每个分系统当中的子弹头都提供制导的技术。这样便可以使得子弹头更加分散同时又不损失太多精度。

  几乎在苏联“橡皮套鞋”反导系统问世的同时,美国第一种分导式多弹头地地战略导弹“民兵3”就开始了方案论证,并于1968年8月实现了首飞。该导弹在经历了17次成功和8次失败后,于1970年匆匆开始服役。

  民兵3的3个子弹头本身并没有制导系统,它是通过一个末段控制平台来实现分导的。在约240km的高空,该平台与导弹的第三级分离,按照预定的程序来调整母弹头的速度大小和方向。

  在960km处,平台开始沿弹头轴向依次投放子弹头。每次投放之后,平台继续机动,进行变轨和调姿,为下一枚子弹头的投放做好准备,直到三枚弹头全部投放完毕。按这种投送方式,3枚子弹头的落点的横向间隔可达104km,纵向间隔更是达到了480km,避免了被一枚拦截导弹全部摧毁的风险。

  另外,民兵3导弹的分导式弹头比民兵2导弹的单弹头加诱饵弹头的方案有更强的突防能力。上世纪60年代的单弹头导弹的突防手段主要是诱饵弹头。诱饵弹头在高空有着以假乱真的效果,能较为有效地迷惑防守方的雷达。但是诱饵弹头比真弹头轻得多,在进入空气较稠密的低空时,其弹道特性与真弹头就有了较大区别。防御方掌握了这一规律之后,诱饵弹的效果便开始大打折扣了。而分导式多弹头则造成了饱和攻击的态势,任何一枚弹头漏网都会造成巨大破坏。

  但是,分导式多弹头技术的发展并不是一帆风顺的,有关单弹头与多弹头的争论从未停止。民兵3多弹头导弹与民兵2单弹头导弹的弹径相同,都是1.67米,但前者的起飞质量比后者重了2.75吨。从弹头的配置情况来看,民兵2导弹的单弹头威力为1.2Mt TNT当量,而民兵3导弹MK12型弹头有3个子弹头,每个子弹头的当量只有175Kt TNT。按总当量计算,MK12的威力只相当于民兵2的MK11型弹头的43.75%。以当时的技术水平,即使大幅增加了导弹的起飞质量也很难进一步提高多个子弹头的当量。这样的威力损失使人们对分导式技术的发展有了不同的意见。

  为比较单枚大当量核弹头与多枚小当量核弹头的作战效能,美国在上世纪60、70年代用海神C-3导弹与大力神2型导弹做了大量实弹试验和数值模拟试验。海神导弹是潜对地导弹,弹头为10枚5万吨当量的分导式核弹头,而大力神2型导弹则带有一枚威力巨大的1000万吨当量的核弹头。大力神2弹头的总当量为海神的20倍。

  但是试验表明,海神导弹对机场类目标的毁伤效能是大力神2导弹的10倍,对加固的导弹基地的毁伤效能更是提高到了11.2倍,对10万人口城市的打击效能增加了2.5倍。

  多弹头能够对重点目标施行交叉火力式的打击,以数量弥补单枚弹头威力的不足,反而大幅提高了作战效能。

  真理越辩越明,分导式弹头提高毁伤效能的作用最终得到了大家的共识,因此子弹头的数量在这一时期开始增加,民兵3导弹的标准载荷是3枚子弹头,而在1975年美国空军实施的一次名为“撒胡椒面计划”的项目里,民兵3导弹携带7枚10万吨TNT当量的子弹头进行了飞行试验。上图为民兵3导弹的标准配置:3枚W78 MK12A核弹头。

  更加先进的多弹头导弹如“和平卫士”则可以携带12枚子弹头(但是受到武器条约的限制,最多只能安装10枚)。上图为一枚“和平卫士”弹道导弹的一次打靶试验。落点是著名的夸贾林环礁(其闻名程度估计仅次于比基尼环礁)。每一条亮线都是一枚再入大气层的核弹头。“和平卫士”的每枚核弹头的当量将近40万吨。也就是说,如果这些亮线尖端的弹体真的爆炸的话,每一个的威力都约为广岛的25倍。

  但是,分导式多弹头导弹在精度方面是有一定损失的。以民兵3型弹道导弹为例(上图是民兵3弹道导弹多弹头再入试验的照片)。1968年8月该弹进行了首次飞行试验。没有装载分导弹头的导弹以400米的落点偏差宣告着导弹研发的成功。但在1969年5月的夸贾林岛试验中,民兵3装载了3枚子弹头,其中有两枚真弹头和一枚诱饵弹头。第一枚子弹头的落点偏差为480米,第二枚子弹头的偏差则是640米。此时,分导式导弹的缺陷暴露了出来,其子弹头的精度会按照投放次序逐渐变差。为了将落点偏差控制在允许范围内,子弹头的数量需要设置上限。另外,末段控制平台占用了导弹有效载荷三分之一到二分之一的重量,这一点使得大部分设计师都不会承认这种分导方式在导弹总体设计方面是最优化的。

  不过,无论如何分导式多弹头技术在整个上世纪70年代经历了一个黄金发展期。美国的民兵3、和平卫士(又名MX导弹),苏联的SS-17“疾行者”、SS-18“撒旦”、SS-19I“匕首”和SS-20II“佩刀”都采用了这种第二代多弹头技术。上图为SS-18导弹。

  1981年10月2日,某海军用三叉戟潜射弹道导弹进行了一次严(sang)肃(xin)认(bing)真(kuang)的“饱和打击”试验。有关三叉戟潜射导弹的详细,可以参见小火箭微信公众号的《三叉戟:美国和英国唯一的海基核武器》一文。

  上世纪80年代,电子技术和导航技术都有了极大的发展,全导式弹头作为第三代多弹头开始闪亮登场。传统分导式弹头在子弹头脱离末段控制平台后就不再具备制导能力,而从第三代多弹头技术开始,每个子弹头都具有了自身独立的导航与制导系统,在导弹抛下整流罩到子弹头击中目标的全程都具有调整弹道的能力,实现了真正意义上的“分导”。但是,这种技术的复杂性严重降低了导弹研发和采购的费效比。

  第二代多弹头技术在末段控制平台和分导技术上的研制费用几乎占去全弹费用的一半,民兵3导弹上的末段控制平台由一台RS-14铍合金主发动机和10台铌合金姿控发动机提供动力,对弹上陀螺仪和加速度计的精度以及导航制导算法的要求非常高。图为洲际弹道弹道中的陀螺仪。

  第三代多弹头技术要求每个子弹头都拥有末段控制平台的变轨调姿能力,这使得导弹上对姿控和轨控发动机的需求增加了数倍,平均到单枚子弹头上的造价并没有比制造一枚单弹头导弹便宜多少。

  另外,1993年生效的《第二阶段削减战略武器条约》(Strategic Arms Reduction Treaty II, 简称START II)在制度上严格限制了多弹头技术的发展。从此,多弹头技术进入了发展的低谷期。

  2005年9月19日,最后一枚“和平卫士”导弹解除战备状态。除役后的导弹被改造为米诺陶运载火箭,弹头则被转移到民兵3导弹上。

  在戴维斯蒙森空军基地等待被销毁的38枚半大力神II洲际弹道导弹。摄于2006年。

  但是,实际上,拥有多弹头的大国之间的对抗并不会因一纸条约的出现而消失。小火箭画了两张图,或许能够表现两大对立集团的心中所想吧:

  现代导弹发射井的防核加固水平越来越高,以民兵3导弹为例,其发射井盖厚达1.47米,上面覆盖了0.25米厚的硼酸盐防辐射混凝土。导弹深埋在发射井中安装在由隔振板支撑的悬浮地板上。那种在发射井周边近一公里范围内爆炸的核弹对井内的导弹难以构成致命威胁。有关导弹发射井的详细内容,可见腾讯新闻去年转载的小火箭(邢强)给《航空知识》写的文章:

  有关弹头当量和命中精度对毁伤效能的函数关系在几十年的研究中逐渐明晰。单枚弹头对采用了防核加固的导弹发射井的毁伤效能与弹头当量的三分之二次方呈正比,与弹头命中精度的平方呈反比。换句话说,要想使弹头的毁伤效能提高为原来的100倍,在命中精度不变的条件下,需要将弹头当量增大为原来的1000倍。而如果弹头的命中精度提高为原来的10倍,则可以无需增大弹头当量而使毁伤效能提高为原来的100倍。这个1000比10的比分充分说明了精度的重要性。

  世界上第一种洲际导弹宇宙神D型的圆概率误差为1.85km,弹头当量为500万吨(A、B、C为试验型),而改进型民兵3导弹的MK12A型弹头的误差已经能控制在300米以内,单枚弹头的当量为33.5万吨。虽然民兵3的子弹头当量不及宇宙神导弹的十分之一,但其毁伤效能却是宇宙神导弹的6.27倍。一枚民兵3导弹的作战效能是一枚宇宙神D的18.81倍。

  对导弹打击精度的极致追求使得单弹头导弹开始回归。1992年4月8日,美国“侏儒”弹道导弹试飞成功。这是一款利用“和平卫士”导弹第三级发动机的技术和该导弹的一枚子弹头拼凑出来的小型单弹头洲际弹道导弹。“侏儒”的射程与“和平卫士”的一样,都是11000km,但重量却不到“和平卫士”的五分之一,圆概率误差为183米的命中精度使这个小个子导弹有着很强的作战效能。以美国的侏儒导弹和俄罗斯的白杨-M导弹为代表的带有50万吨级核弹头的公路机动导弹成为了新一代战略导弹的明星。

  但是,多弹头技术并不甘于退出历史的舞台。主张“先发制人”战略的美国政府在2001年退出了美苏在1972年签署的《限制反弹道导弹系统条约》,打破了战略导弹核武器在法理上的平衡。半年后,美国和俄罗斯都退出了《第二阶段削减战略武器条约》。2002年底,一枚带有6个子弹头的俄制SS-19导弹在拜科努尔基地发射成功,标志着俄罗斯已重新启动了多弹头技术的试验。

  2007年,从俄罗斯“叶卡捷琳堡”潜艇上发射的一枚SS-N-23导弹装载的3枚子弹头准确命中了目标,说明俄罗斯已经掌握了低弹道分导这一前沿技术。从此,再入弹头机动技术、多弹头技术等用于摧毁对方反击能力的手段开始走出牢笼,进入了又一个高速发展期。

  随着地形匹配技术和高精度GPS技术的发展,战略导弹的精度已经跨过了“百米时代”向50米级别的精度迈进。高超声速技术的发展使再入弹头不再是传统的轴对称锥体,而是变成了一架颇具科幻色彩的飞行器,其机动能力和突防能力会有质的提升。后多弹头时代给我们展示了一个丰富多彩的发展方向。上图为时任美国参谋长联席会议主席马丁邓普西上将在一个核武器储存库中与核武器相关研究人员讨论美国未来的核武库运营政策。摄于2013年7月17日。噢,还有,他们围着的正是一枚民兵3洲际弹道导弹的核弹头。如今,这种核导弹成了美国唯一的陆基核导弹威慑力量。

  在战略导弹的弹头从单一到多个再回归单一,继而由轴对称的弹头演化成带有翼面乘波而行的飞行器的过程中,我们体验到了导弹技术的飞速发展。

  带有分导式乃至全导式多弹头的战略导弹是国之重器,是一种强大的威慑力量。但是,这种多弹头技术不是一蹴而就的,需要长期探索和大量积累。

  小火箭认为,任何一个已经拥有了带有核弹头的洲际弹道导弹的国家要想掌握分导式多弹头核武器技术的话,都需要至少跨过五个门槛:

  能够实施空间变轨机动和掌握一箭多星技术便说明已经跨过了前两个门槛,能够研发远程导弹便有跨过第三个门槛的实力,返回式卫星则是跨越第四个门槛的证明。氢弹需要由一枚小型的爆炸来引燃,能够生产氢弹便说明已经拥有了小型化的技术。

  洲际弹道导弹的多弹头分导技术代表了一个国家的科技实力和工业能力。而高超声速飞行器则展示了下一代战略打击武器的一个发展方向。至于今后会有怎样的弹头出现,那就暂时留给小火箭和大家的想象力吧。

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