朝鮮“北極星”系列導(dǎo)彈(2)

2020-03-20 03:46尹瑞濤

兵器知識 2020年2期

尹瑞濤

金正恩在查看化學(xué)材料研究所開發(fā)的各種與導(dǎo)彈有關(guān)的部件和材料。就是這張照片官泄了“北極星”3。圖中1處是“北極星”3潛射導(dǎo)彈，2處是金正恩語錄，3處是“火星”13導(dǎo)彈

2017年：官泄“北極星”3導(dǎo)彈

“北極星”3導(dǎo)彈是由朝鮮國防科學(xué)院負(fù)責(zé)研制的，是“北極星”1和“北極星”2的升級型號。朝鮮國防科學(xué)院成立于上世紀(jì)60年代初，負(fù)責(zé)與國防相關(guān)的所有研究開發(fā)。該院設(shè)有導(dǎo)彈部、電氣與電子部、金屬與化學(xué)材料部，和位于成興的化學(xué)研究所、定州的生物學(xué)研究所、博川的原子能研究中心、江界的電子制導(dǎo)研究所等40個研究所，此外還包括江界軍事研究院、寧邊原子能研究中心等其它科研機構(gòu)?？梢哉f，國防科學(xué)院是朝鮮軍工體系的“大腦”。

2017年8月23日，朝鮮官方媒體《勞動新聞》的電子報刊發(fā)表了金正恩視察朝鮮國防科學(xué)院化學(xué)材料研究所的報道。該研究所主要負(fù)責(zé)研究、研發(fā)和生產(chǎn)“火星”系列洲際彈道導(dǎo)彈的耐熱材料和彈頭、發(fā)動機噴射口材料等化學(xué)材料。該研究所的研究成果對朝鮮洲際彈道導(dǎo)彈的成功發(fā)射有重要貢獻。當(dāng)天的視察中，金正恩訪問了該研究所下屬的一個工廠，該廠為彈道導(dǎo)彈制造固體火箭發(fā)動機。在朝中社發(fā)布的金正恩參觀某個廠房的照片中，金正恩與研究所相關(guān)人員談笑時，可以看到墻上懸掛的展示板中出現(xiàn)了名為“水中戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈‘北極星3”設(shè)計圖以及復(fù)合材料的技術(shù)參數(shù)。此外，還有一張寫著“火星”13的說明圖以及技術(shù)參數(shù)，看似裝著導(dǎo)彈的圓筒的斷面圖。朝鮮正試圖告訴世界，其重返大氣層和固體燃料技術(shù)不再是試驗性的，而是已經(jīng)達到量產(chǎn)階段。

這是“北極星”3導(dǎo)彈這一型號首次露面。有不少分析家認(rèn)為，《勞動新聞》的報道很可能是朝鮮官方對“北極星”3故意制造的“一次不經(jīng)意的官泄”，實際上是在暗示，平壤已著手開發(fā)使用固體燃料的新型潛射彈道導(dǎo)彈。從金正恩這個時候的視察來看，說明在2017年“北極星”3潛射彈道導(dǎo)彈已經(jīng)獲得突破，朝鮮將會在發(fā)展陸上洲際彈道導(dǎo)彈和潛射遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈的道路上繼續(xù)走下去。

在一個展覽上，展示了4D碳一碳復(fù)合材料的技術(shù)規(guī)格，并表明它可以用于導(dǎo)彈部件，如前錐和排氣噴嘴。照片中展示的插圖是高度程式化的，重點放在發(fā)動機艙和彈頭的鼻錐，表明它們旨在強調(diào)未來導(dǎo)彈的級間、結(jié)構(gòu)元件和再入飛行器復(fù)合材料的使用。雖然一些分析人士認(rèn)為這是一種固體燃料設(shè)計，但很難根據(jù)圖示確定這一點，2012年和隨后的游行中展示的“火星”13號似乎是液體燃料。

金正恩參觀新建的革命史跡教育室和科技成果展覽室后，了解了洲際彈道導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部頭部和固體火箭發(fā)動機制作工序。

黃色方框處是“北極星”3導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)圖和型號

金正恩正在檢查一個展示碳一碳復(fù)合材料發(fā)展概況的展覽，展覽館中展示了一個導(dǎo)彈的頭錐

復(fù)合材料與朝鮮的固體火箭發(fā)動機

固體火箭發(fā)動機主要由殼體、固體推進劑、噴管組件、點火裝置和輔助部件等五部分組成。發(fā)動機外殼充當(dāng)導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)框架，容納固體推進劑，并在運行期間充當(dāng)燃燒室。發(fā)動機外殼傳統(tǒng)上由金屬制成，如鋁合金、馬氏體時效鋼或鈦。然而，為了優(yōu)化性能，設(shè)計師更喜歡使用高強度、輕質(zhì)的復(fù)合材料。碳基復(fù)合材料外殼是用薄的芳綸或碳纖維與環(huán)氧樹脂結(jié)合在一起制成的，類似于玻璃纖維。由專門的機器用來生產(chǎn)環(huán)氧樹脂浸漬纖維，并將纖維纏繞在模具上，形成一個大容器或外殼。復(fù)合材料的使用可以顯著提高導(dǎo)彈的性能。

碳一碳復(fù)合材料具有密度低、強度高、模量大、耐燒蝕、抗熱震等特點，在高溫狀態(tài)下具有優(yōu)良的強度保持率，是較為理想的高溫結(jié)構(gòu)材料之一。碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭、彈體、箭體和發(fā)動機殼體的結(jié)構(gòu)部件和衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)承力件上，碳一碳和碳一酚醛是彈頭端頭和發(fā)動機噴管喉襯及耐燒蝕部件等重要防熱材料。碳一碳最早用作發(fā)動機噴管喉襯，并由二維、三向發(fā)展到四向及更多向。

火箭發(fā)動機的噴管用于超音速排出燃?xì)猓a(chǎn)生推力，是燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變成動能所必須的關(guān)鍵部件。噴管材料必須經(jīng)受住以下幾個方面的考驗：2000℃～3500℃的高溫，灼熱表面的超高速加熱的熱沖擊;高熱梯度引起的熱應(yīng)力，高壓力，長時間在高速腐蝕性氣體中的暴露等。碳一碳復(fù)合材料是制造固體火箭發(fā)動機噴管理想的耐燒蝕防熱材料。

固體火箭發(fā)動機的殼體即為燃燒室，其燒蝕層與絕熱層設(shè)計是關(guān)鍵問題之一。實驗顯示：高熔點金屬強度高，但承受高溫能力差而且笨重：高性能合成石墨材料（如美國的ATI石墨）高溫穩(wěn)定性好、質(zhì)量輕，但其機械性能欠佳，往往還需用鋼或鋁合金之類的結(jié)構(gòu)材料給予支撐，而鋼和鋁材料自身又需高溫保護，這會進一步增加噴管的質(zhì)量。用高強度碳纖維編制纏繞增強塑料制成火箭發(fā)動機殼體，可以解決這一矛盾，碳一碳復(fù)合材料具有強度/質(zhì)量大的優(yōu)勢，用之可以較大幅度地改善火箭發(fā)動機殼體的性能。

金正恩手持導(dǎo)彈彈頭的頂端物體觀看

化學(xué)材料研究所研制的改善固體發(fā)動機性能的添加劑

金正恩觸摸改善固體發(fā)動機性能的添加劑

在高溫下燒蝕（熔化）的碳纖維復(fù)合材料是保障彈頭以洲際彈道導(dǎo)彈速度重返大氣層的理想材料。碳纖維復(fù)合材料在美國“侏儒”、“民兵”、“三叉戟”等戰(zhàn)略導(dǎo)彈上均已成熟應(yīng)用，美國、日本、法國的固體發(fā)動機殼體主要采用碳纖維復(fù)合材料，如美國“三叉戟”2導(dǎo)彈、“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈、“大力神”4火箭，法國的M51潛射彈道導(dǎo)彈、“阿里安”2火箭改型，日本的M-5火箭等發(fā)動機殼體。俄羅斯海上導(dǎo)彈系統(tǒng)中的佼佼者“圓錘”（布拉瓦）潛射彈道導(dǎo)彈的發(fā)動機噴管及大面積防熱層，也使用了黏膠基碳纖維增強的酚醛復(fù)合材料。

金正恩視察化學(xué)材料研究所時，身邊的一個大型青銅色筒狀物體，是一種先進的輕型外殼，被設(shè)計用來存放固體推進劑。它的直徑大約為1.4-1.5米，與朝鮮當(dāng)時研制出的兩種固體燃料導(dǎo)彈（潛射彈道導(dǎo)彈“北極星”1和陸基彈道導(dǎo)彈“北極星”2）一致。在背景中的一扇窗戶后面，可以看到一臺纖維纏繞機。它可能用于制造復(fù)合發(fā)動機外殼。目前尚不清楚該機器是否能生產(chǎn)直徑大于1.5米的發(fā)動機外殼。否則，朝鮮將需要獲得一臺更大的繞線機，以生產(chǎn)足夠大的發(fā)動機外殼，為洲際彈道導(dǎo)彈提供足夠的動力。

朝鮮固體火箭發(fā)動機圖紙

朝鮮固體火箭發(fā)動機

2016年12月7日，俄羅斯海關(guān)在符拉迪沃斯托克（海參崴）國際機場繳獲了即將運往朝鮮的8匝共計40千克的芳綸纖維（碳纖維復(fù)合材料）

用重量較輕的復(fù)合材料發(fā)動機外殼而不是金屬外殼制造“北極星”3可以讓導(dǎo)彈飛得更遠(yuǎn)，盡管確切的射程還很難確定。如果朝鮮掌握了生產(chǎn)工藝，維持了制造外殼所需的長絲和樹脂的可靠供應(yīng)鏈，并堅持嚴(yán)格的質(zhì)量控制程序，那么“北極星”3可能達到2000千米的射程。掌握這些過程可能需要幾年的時間，而實現(xiàn)的射程擴展可能達幾百千米，超出“北極星”1和“北極星”2的射程（約為1200千米）。

獲得纖維纏繞機可能有助于朝鮮實現(xiàn)一個長期目標(biāo)：制造固體燃料洲際彈道導(dǎo)彈。雖然復(fù)合材料外殼有助于朝鮮開發(fā)基于固體推進劑的洲際彈道導(dǎo)彈，但道路將很漫長，發(fā)展速度將取決于能否可靠、質(zhì)量一致性地生產(chǎn)大型的固體推進劑發(fā)動機。迄今為止，朝鮮制造和試飛的最大固體發(fā)動機是“北極星”號的第一級，重約6000-7000千克。洲際彈道導(dǎo)彈一級發(fā)動機的重量約為20000千克。以美蘇等大國的歷史經(jīng)驗作為評判標(biāo)準(zhǔn)，從生產(chǎn)6噸級發(fā)動機到生產(chǎn)20噸級發(fā)動機需要7到10年的努力。朝鮮或許可以通過走捷徑，降低性能和可靠性，將時間期限縮短幾年。但鑒于朝鮮在固體推進劑生產(chǎn)方面缺乏經(jīng)驗，基于固體燃料的洲際彈道導(dǎo)彈不太可能在10年內(nèi)投入使用。

碳纖維纏繞示意圖

美國“三叉戟”2潛射導(dǎo)彈采用碳纖維殼體，作戰(zhàn)能力得到有力增強

法國H51潛射洲際彈道導(dǎo)彈，全身黑色就是采用的高強度碳纖維的顏色

法國H51潛射洲際導(dǎo)彈殼體生產(chǎn)現(xiàn)場的照片，其黑色部分是通過碳纖維一層層地纏繞制造出的導(dǎo)彈外殼

朝鮮化學(xué)材料研究所開發(fā)的固體發(fā)動機外殼

關(guān)于化學(xué)材料研究所

化學(xué)材料研究所成立于20世紀(jì)70年代，負(fù)責(zé)化工、化肥、機械、采礦、塑料、電信、運輸和國防等領(lǐng)域各種工業(yè)應(yīng)用材料的實際研發(fā)項目。自20世紀(jì)90年代以來，一直同時參與多項空間和彈道導(dǎo)彈項目的研發(fā)。至少從2010年起，其中一個項目就是彈道導(dǎo)彈用纖維纏繞火箭發(fā)動機外殼的研發(fā)。2017年底，化學(xué)材料研究所開始為這些外殼建立生產(chǎn)設(shè)施。截至2018年7月中旬，新生產(chǎn)設(shè)施已完工。在朝鮮制定的2016年1月1日至2021年1月1日的五年計劃中，固體發(fā)動機彈道導(dǎo)彈研發(fā)/生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施擴建計劃是重要的一部分。固體火箭發(fā)動機的外殼的批量生產(chǎn)使朝鮮能夠部署更多的固體燃料彈道導(dǎo)彈，這種系統(tǒng)可能比目前在朝鮮人民軍服役的許多“飛毛腿”液體燃料導(dǎo)彈系統(tǒng)更有作戰(zhàn)能力和生存能力。

用于將導(dǎo)彈發(fā)動機殼體的復(fù)合材料纏繞在一起的纖維纏繞機

固體發(fā)動機外殼全圖

朝鮮的固體火箭發(fā)動機研究、試驗、開發(fā)和生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施主要集中在成興一興南地區(qū)，該地區(qū)是朝鮮化學(xué)工業(yè)的中心。其它地方的幾家工廠和研究機構(gòu)也在支持，包括：化學(xué)材料研究所、維尼綸綜合工廠、興南化肥廠、固體火箭發(fā)動機試驗設(shè)施、17號炸藥廠以及蓬貢化工廠。

美國商業(yè)衛(wèi)星“數(shù)字地球”拍攝的化學(xué)材料研究所地區(qū)

咸興-興南地區(qū)的固體火箭發(fā)動機研發(fā)生產(chǎn)設(shè)施分布圖

金正恩在化學(xué)材料研究所視察當(dāng)時即將進行的建設(shè)項目

2017年7月至2018年7月擴建化學(xué)材料研究所

化學(xué)材料研究所在朝鮮導(dǎo)彈計劃中的角色

化學(xué)材料研究所參與朝鮮的固體燃料彈道導(dǎo)彈計劃，大概可以追溯到20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初的KN-02“托克薩”（俄羅斯SS-21的朝鮮改型）計劃，該研究所似乎已經(jīng)參與了“北極星”1（KN-11）潛射彈道導(dǎo)彈項目和固體火箭發(fā)動機的開發(fā)。這項工作后來擴展到了“北極星”2以及“北極星”3導(dǎo)彈。

在2010-2012年期間，化學(xué)材料研究所的職能擴大到開發(fā)用于彈道導(dǎo)彈的大型纖維纏繞火箭發(fā)動機外殼。2013-2014年期間，該研究所已開始生產(chǎn)少量的原型外殼。大約在2015-2016年進行預(yù)生產(chǎn)，到2017年，技術(shù)和經(jīng)驗達到了批量生產(chǎn)階段。盡管該研究所作為一個研究機構(gòu)，缺乏進行纖維纏繞火箭發(fā)動機外殼全面生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施或制造人員，但這里有生產(chǎn)發(fā)動機外殼所需的專業(yè)知識和設(shè)備。因此，決定重組該研究所并建造一個生產(chǎn)設(shè)施。根據(jù)朝鮮的聲明和已知的基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)實踐，新工廠和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施除了生產(chǎn)火箭發(fā)動機外殼外，還負(fù)有與導(dǎo)彈相關(guān)的額外責(zé)任（如碳一碳纖維生產(chǎn)等）。

早在2017年初，新的纖維纏繞火箭發(fā)動機外殼生產(chǎn)工廠的規(guī)劃和設(shè)計可能就已經(jīng)開始，但直到2017年8月朝鮮媒體報道金正恩訪問化學(xué)材料研究所時，這才為公眾所知。正是在這次訪問期間，金正恩審查并最終批準(zhǔn)了新工廠的建設(shè)計劃。

新工廠的建設(shè)始于2017年9月，2018年1月20日和2月5日的商業(yè)衛(wèi)星圖像顯示了兩個大型的制造大廳（大約122米×32米，包括附屬辦公室/工程建筑）和幾個辦公室和支撐建筑的基礎(chǔ)和墻壁。這張圖片顯示了一些獨特的特征，似乎與測試或完成固體發(fā)動機外殼生產(chǎn)有關(guān)。其中有一個挖掘井中的圓形的地基（內(nèi)部直徑尺寸大約4米）在建筑物的北端，以墻頂為中心，這樣一個橋式起重機可以直接位于它上面，也許是將一個火箭發(fā)動機殼體升高或降低到挖掘區(qū)域。

這次挖掘的目的還不清楚。一個可能的目的是在填充之前滿足壓力測試、脫脂或涂層纖維纏繞火箭發(fā)動機外殼的要求。如果該坑用于水壓試驗，壓力緩慢增加，直到外殼失效，則需要一個圓頂或厚蓋，以在試驗過程中保持密封。然而，這種測試是危險的，幾乎所有國家都在戶外進行。朝鮮可能會接受這種風(fēng)險，以減少間諜衛(wèi)星觀察到的跡象。挖掘需要足夠深和寬，以滿足當(dāng)前計劃的火箭發(fā)動機殼體以及未來制造的火箭發(fā)動機殼體的尺寸要求。第二個較?。ù蠹s2米直徑，內(nèi)部尺寸）的地基位于北部制造建筑物和沿東墻的中間。

位于成興的17號炸藥廠，紅框處為固體燃料生產(chǎn)設(shè)施

朝鮮的液體燃料導(dǎo)彈與固體燃料導(dǎo)彈

2018年7月13日的圖像顯示，擴建的設(shè)施占地約17.7公頃（大于原研究所的11.3公頃）。這家新工廠已經(jīng)完工，雖然與金正恩在2017年8月訪問期間展示的計劃不完全吻合，卻非常接近。研究所的10處舊建筑和周圍的建筑被夷為平地，先前的許多臨時住房和儲存單元已被拆除，24座新建筑被豎立起來。

由化學(xué)材料研究所生產(chǎn)的纖維纏繞火箭發(fā)動機殼體可能會被運送到17號炸藥廠，以便在其新的混合/鑄造工廠中填充。固體火箭燃料本身的化學(xué)材料主要是從幾個設(shè)施接收的，包括附近的維尼綸綜合工廠、興南化肥廠和蓬貢化工廠。在完成混合、澆注和固化過程后，固體火箭發(fā)動機將被運送到存儲設(shè)施或組裝設(shè)施以最終制造彈道導(dǎo)彈。然后，成品彈道導(dǎo)彈被運送到位于全國各地的戰(zhàn)略部隊儲存設(shè)施。從這些地點出發(fā)，它們將按要求分配給作戰(zhàn)單位。位于17號炸藥廠西南3.5千米處附近的固體火箭發(fā)動機試驗設(shè)施，將可能用于質(zhì)量控制和測試新的固體火箭發(fā)動機設(shè)計。

17號炸藥廠（有時被稱為興南炸藥廠）起源于二戰(zhàn)時期日本占領(lǐng)朝鮮期間，當(dāng)時它被稱為“精選氨炸藥廠”。它是朝鮮最大的炸藥生產(chǎn)廠，在1960年代后期年生產(chǎn)量約為5500噸，約2000人。在20世紀(jì)90年代早期，由于經(jīng)濟崩潰和饑荒，該廠的生產(chǎn)和生產(chǎn)速度減慢。這種情況在20世紀(jì)90年代中期發(fā)生了變化，這不僅是因為經(jīng)濟狀況逐步緩解，而且是由于生產(chǎn)了KN-02導(dǎo)彈及其固體火箭發(fā)動機。盡管目前產(chǎn)量和雇員人數(shù)都不得而知，但該工廠一直保持活躍和良好的維護狀態(tài)。

該設(shè)施位于順川港東岸（即順川河）的西南角，占地1.9英畝。17號炸藥廠按功能大致可分為六個區(qū)，北方制造和儲存區(qū)的兩個較大的混合/澆注區(qū)和中央管理、支持和制造區(qū)的兩個較大的混合/澆注物，是朝鮮固體推進劑導(dǎo)彈項目最令外界關(guān)注的地方。

“北極星”系列導(dǎo)彈采用了固體燃料發(fā)動機。與液體燃料相比，固體燃料具有軍事用途上的優(yōu)勢，因為固體燃料穩(wěn)定、用途廣泛，可以儲存在導(dǎo)彈中，直到準(zhǔn)備發(fā)射。美國科學(xué)家聯(lián)合會（Federation ofAmerican Scientists）的安基特-潘達說，“北極星”3可能是朝鮮使用固體燃料射程最遠(yuǎn)的導(dǎo)彈。

“北極星”3導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)略圖

“北極星”3導(dǎo)彈的尺寸

2017年，“北極星”3導(dǎo)彈概念圖剛曝光后，韓國航空航天大學(xué)教授兼全球監(jiān)視研究中心主任楊克昌推測，“北極星”3導(dǎo)彈的直徑為1.9米，長度為17米，第一級長度為8.5米，第二級為4.5米。

當(dāng)2019年朝鮮試射“北極星”3導(dǎo)彈后，韓國航空航天大學(xué)航空教授張英基估計，當(dāng)考慮到美國、中國和俄羅斯開發(fā)和部署的早期潛射彈道導(dǎo)彈的尺寸以及使用它們的潛艇的尺寸時，‘北極星3的尺寸規(guī)格很可能與這些早期型號相當(dāng)，它的直徑可能在1.5-1.65米左右。美國“北極星”（UGM-27）潛射彈道導(dǎo)彈直徑為1.37米，法國早期的潛射彈道導(dǎo)彈直徑為1.5米，中國的JL-1為1.4米。朝鮮“北極星”3的第一級發(fā)動機大約是第二級發(fā)動機的兩倍大。這一比例與美國、法國和中國的潛射導(dǎo)彈相似。這些相似性是由工程優(yōu)化驅(qū)動的，而不是一個國家模仿另一個國家的設(shè)計決策。

2017年韓國楊克昌教授推測的“北極星”3導(dǎo)彈長度為17米

2017年4月15日，在紀(jì)念金曰成誕辰105周年的閱兵式上，朝鮮展出了“北極星”3導(dǎo)彈的模型

根據(jù)運輸一輪胎尺寸測算，2017年4月展示的“北極星”2導(dǎo)彈直徑為1.4米，由此可推測“北極星”3的直徑。