深海迴音——巨浪2潛射洲際彈道導彈深度解析（二）_風聞
刘敏-军事观察员，独立撰稿人2019-05-09 17:28
四、技術水平
戰略核導彈其中一個重要指標就是射程，根據美國媒體的描述，巨浪-2射程8000公里，可帶多彈頭。這些數字又被中國大陸媒體所引用，以至很多軍事觀察家也引用這些數字。但事實上巨浪-2的射程根本不止於此。8000公里射程確實是中國官方文獻提到的數字，但提出該數字時是在1986年，已經是30多年前了。航天一院、二院、四院聯合論證結果是立足於當時的中國技術實力做出來的，比如2米直徑的固體燃料發動機最早就是按合金鋼殼體來計算的；再比如當時的中國固體燃料水平只有端羥基聚丁二烯(HTPB)這樣的第三代固體燃料推進劑；當時的電子元器件還處於電子管時代，又笨又重，慣導設備還處於機械慣導時代，8000公里射程就是以這樣的技術條件為基礎被論證出來的。
但事實上中國軍工技術進步的腳步從未停止，依託同型號2米直徑固體火箭發動機發展而來的東風-31射程就從來不是8000公里。官方媒體曾經在提到東風-31A時官泄説：“在老型號的基礎上覆合材料殼體減重300多千克，使最大射程提高了14%，提高了1300多公里”。從這段描述可以看到14%的射程為1300多公里，也就是説在1300公里到1400公里之間，我們取1350公里計算，那麼早期的東風-31的射程就應該在9640公里左右，再與1350公里相加，得出東風-31A的射程為10990公里，這個數字與美國軍方估計的11200公里的射程極為相近，恰好可以互相印證。
圖10：東風-31雖然是名老兵，但從來就不是吃素的，東風-31A的射程已經超過了11000公里
二戰後，彈道導彈的殼體材料發展經歷了四代的發展，第一代殼體材料是以高強度的合金鋼為代表的金屬殼體，比如美國“民兵-3”的第一級、中國“東風-31”的第一級、法國“M-4”的第一級、俄羅斯“R-29”的第一、二級；第二代殼體材料則是採用纖維纏繞工藝製造的玻璃鋼/環氧樹脂，玻璃鋼是最早的非金屬基複合材料，比如美國“北極星-A3”的全部兩級、中國“東風-31”的第二、三級、法國“M-2”的第二級、俄羅斯“R-39”的第一、二級；第三代殼體材料是芳綸纖維/環氧樹脂，比如美國“三叉戟1-C4”全部三級採用的凱夫拉（凱夫拉是芳綸纖維的一種）、中國“東風-31A”的全部三級、法國“M-45”的第三級、俄羅斯“RT-2PM白楊”的第三級；第四代殼體材料是碳纖維/環氧樹脂，也就是大家常簡稱的碳纖維，典型代表是美國“三叉戟2-D5”的第一、二級、中國“東風-26”的全部兩級、法國“M-51”的全部三級、俄羅斯則沒有碳纖維殼體的彈道導彈。這四代材料，每一代的發展都是一個巨大的技術飛躍。比如，在相同的強度下，玻璃纖維殼體就比鋼殼體重量減輕20%-50%；芳綸纖維/環氧樹脂殼體又比玻璃鋼殼體重量減輕35%；而高強度中等模量的碳纖維殼體又比芳綸纖維/環氧樹脂殼體減輕25%-30%，而且還不斷有更高性能的碳纖維材料和樹脂基材料出現。
東風-31的第一級FG-6固體火箭發動機使用的是最原始的合金鋼殼體，第二級FG-07、第三級FG-08使用的則是玻璃鋼殼體。而東風-31A提高射程的秘密就是全部三級殼體改用第三代的芳綸纖維/環氧樹脂。芳綸纖維/環氧樹脂在中國已經應用在眾多型號導彈上使用，技術十分成熟。但在第四代殼體材料的碳纖維領域，雖然美國早在上個世紀80年代就在三叉戟2-D5上使用了IM7碳纖維，但在中國一直髮展緩慢，尤其是高性能航天級碳纖維一直是西方高度封鎖的技術，甚至封鎖成品，比如在美國需要購買就需要獲得美國政府多個部門的審批，是具有極高政治敏感性的戰略性物資。2013年就有中國商人以私人身份在美國市場購買了1公斤T-800級別的碳纖維樣品，即被美國政府以間諜罪逮捕。
中國本身在高性能碳纖維領域，在一個較長時間段內一直無法取得技術突破。直到2002年9月首飛的“開拓者-1”型火箭的第四級上才首次使用了碳纖維殼體，但遺憾的是首飛以失敗告終。在軍用導彈領域，至到2008年7月，才在設計“東風21-D”的第一、二級上採用了碳纖維殼體，導彈於2010年9月25日首飛獲得成功，後來該型號改名為“東風-26”。這是中國首次在彈道導彈領域使用碳纖維材料，這比美國的“三叉戟2 -D5”整整晚了25年以上。而相當於日本東麗公司T-700級別的碳纖維，中國至到2007年11月才在連雲港實現投產；相當於T-800級別的碳纖維，至到2012年5月才在江蘇實現了投產；相當於T-1000級別的碳纖維，中國更是直到2018年2月才在連雲港實現投產。隨着2007年中國T-700級別的碳纖維的投產，中國軍工產品的碳纖維使用量大幅提高，包括各型軍機上的垂直尾翼、水平尾翼、起落架艙蓋、機身蒙皮等，直升機上的機身框架結構、旋翼等，各型導彈殼體材料等。
因為巨浪-2和東風-31A在1999年底是同時立項的，所以早期筆者推測巨浪-2的殼體材料時推測它和東風-31A一樣，應該是芳綸纖維/環氧樹脂，首先排除性能落後的玻璃鋼，而當時中國碳纖維產業發展才剛剛起步，從技術成熟度來看機率並不高。但近期官方公佈的資料卻又明確指出，巨浪-2和最新的東風-41殼體使用的正是碳纖維，這雖然在意料之外，但又感覺在情理之中，因為中國T-700級別的碳纖維在2007年底投產，2008年設計的東風-26就已經使用了碳纖維殼體，而巨浪-2在2009年有一次補充設計，這次設計對殼體結構進行了全方位改進設計，並重新做了靜力實驗，並強調新的設計一次成功，巨浪-2做為戰略優先級別比東風-26高得多的終極戰略性武器，而設計團隊又在追求極限性能，所以殼體改用先進的碳纖維是完全合情合理的。當然也可能從最初的設計就是使用的碳纖維，因為採用碳纖維製造第四級殼體的開拓者-1立項研製是在2000年5月，比1999年底立項的巨浪-2僅晚了幾個月，完全是同一時期，而且開拓者-1僅僅是航天科工自籌資金、自負盈虧的市場化運作產品，連開拓者-1都用上了碳纖維，戰略級別不知道高了多少倍的巨浪-2從一開始就採用碳纖維完全是情理之中的事。
圖11：正在纖維纏繞機上的法國M-51洲際導彈殼體，使用的碳纖維製造
影響戰略導彈射程的第二個重要因素則是固體燃料推進劑，美法兩國都已經使用了硝酸酯增塑聚醚（NEPE）這樣的第四代固體燃料推進劑。比如美國三叉戟2-D5使用的NEPE-75和法國M51使用的Nitralane，NEPE的比衝可以達到了274秒以上。在第四代的NEPE推進劑領域中國和西方完全處於同一水平，中國早在上個世紀九十年代末就研製出了NEPE級別的第四代固體燃料推進劑，被命名為N-15，後來又推出了其改進型N-15B、N-15C、N-15D等型號，N-15在綜合性能上與美國的NEPE-75和法國Nitralane完全旗鼓相當，部分指標甚至有所領先，比如東風-31A第三級上使用的N-15理論比衝就超過了美國三叉戟2-D5上使用的NEPE-75。在2007年出版的《二十一世紀航天科學技術發展與前景高峯論壇暨中國宇航學會第二屆學術年會論文集》的第一頁第三條就明確指出我國的N-15是當時世界上已公佈的綜合性能最好的固體燃料推進劑。而且中國更高能量密度的新改進型推進劑也已經完成。如今N-15已廣泛應用於中國的各型戰略導彈和紅旗-10A、飛弩-16這樣的戰術導彈上。
中國對NEPE推進劑的下一步發展重點是使用剛剛成熟起來的CL-20對NEPE配方進行改進。中國是繼美、法之後世界上第三個合成CL-20的國家，但卻是第一個將它成功工業化生產的國家。CL-20學名六硝基六氮雜異伍茲烷（HNIW），是目前世界上已研發出的能夠實際應用的能量水平最高的高能量密度化合物，是威力最大的非核炸藥，爆炸速度高達9500米/秒，被譽為“突破性含能材料”和“炸藥之王”，屬於第四代炸藥。中國CL-20的研製單位是北京理工大學，在2001年北理工就憑藉對CL-20的重大原始理論創新獲得“國防科工委科學技術一等獎”，2016年又憑藉工程化的重大貢獻獲“國防科技進步特等獎”。使用CL-20對NEPE固體燃料推進劑進行改進，中國已經研發了十幾年，以CL-20替代NEPE原配方中的部分RDX（黑索金，含能材料），可以使NEPE固體燃料推進劑的總衝量提高17%，使其在最大推力不變的情況下比衝超過320秒。使用這種新型含CL-20的NEPE固體燃料推進劑的固體火箭發動機，已經於2018年11月15日於航天科技第四研究院的地面熱試車中取得圓滿成功。總體來説CL-20各項性能俱佳，唯一的缺點是價格昂貴，這隻有不斷推進工業化量產和改進生產工藝來逐步改善。而美國的CL-20工業化生產目前來看似乎遇到重大挫折，之前試生產線生產的產品單位成本是一個天文數字，且一直無法降低，而且純度不佳，改進措施是更換生產工藝路線否則就要暫停整個項目。
圖12：實驗中的固體火箭發動機進行地面熱試車
而更新一代含能材料，中國也已經取得了突破，2017年初南京理工大學成功合成世界首個“全氮陰離子鹽（N5-）”，中國在新一代超高能含能材料研製上已經處於世界領先地位。全氮類超高含能材料理論能量密度可達TNT的10到100倍，爆炸速度可高達14000米/秒，具備高密度、高能量、爆轟產物清潔無污染、穩定安全等特點，是下一代高能炸藥和固體燃料推進劑的主要成分，如果將全氮含能材料製成固體燃料推進劑，比衝有可能突破500秒大關。美國在這個領域於1998年就成功合成了“全氮陽離子鹽（N5+）”，但是在全氮陰離子鹽上卻始終無法突破。美國全氮陽離子鹽與中國全氮陰離子鹽相比穩定性較差，在合成過程中就曾經炸燬過實驗室；在合成方面中國全氮陰離子鹽具有實驗操作簡單，所用原料安全無毒，不存在毒性和腐蝕性的優點，而美國全氮陽離子的合成需要使用毒性、腐蝕性較大的氫氟酸；在製造成本上，也是全氮陰離子鹽更加低廉；最重要的是由於全氮陽離子鹽合成的化合物氮含量下降，不如全氮陰離子鹽與氮陽離子合成的純氮材料，在能量密度上遜色一籌，目前已經不是發展主流。
而美國近些年在高含能材料上的突破當然要數逼格更高的“金屬氫”了，同樣是2017年初，美國哈弗大學宣佈製成世界上第一塊金屬氫，金屬氫是一種夢幻材料，首先它在常温下就可以實現超導，應用於電子、電力行業，將引發一場超級革命；其次，金屬氫做為一種含能材料，理論能量密度可達TNT的40倍，爆炸速度可高達15000米/秒；如果製成固體燃料推進劑，比衝將達到逆天的1700秒，秒殺任何液體發動機，火箭單級入軌、空天飛機、重複使用航天器都將是彈指間的事。中國對金屬氫的研究也從未落後，山東大學團隊在2019年4月剛剛提出利用碳納米管以相對低壓制金屬氫的新理論。金屬氫目前在各國仍處於理論探索階段，哈弗大學這次在實驗室裏用金剛石對頂砧裝置在495萬個大氣壓下造出了針尖大小的一塊金屬氫，製造難度太高，如何穩定金屬氫也將是一個大傷腦筋的問題，想要工業化生產更是難如登天，總的來説，金屬氫在各項指標中全面領先全氮陰離子鹽。全氮陰離子鹽製成的固體燃料推進劑如果算是第五代，那金屬氫毫無疑問就要算第六代，但人類剛剛摸到金屬氫的大門，還需要大量時間對其進行深入理論探索，想要金屬氫真正能實用化，也許還要三十年、也許是五十年，誰也不知道。而相比而言，全氮陰離子鹽已經處於工業化的邊緣了，未來幾年之內中國就將推出全氮陰離子鹽的下一代固體燃料推進劑。
至於俄羅斯的固體燃料推進劑水平如何，其實在蘇聯時代的發展就從來沒順暢過，比如原本給“颱風”研製的“R-39鱘魚”的第一、二級已經使用了固體燃料推進劑，但是到上世紀八十年代初研製“德爾塔IV”的“R-29RM輕舟”時，卻又回頭採用三級液體燃料方案，這可是美帝使用NEPE研製“三叉戟2-D5”的時代了，再然後到九十年代研製“R-30圓錘”的時候，又局部變回固體燃料的方案，變成半固體半液體的局面，圓錘的第一、二級是固體的，第三級仍然是液體的。之所以出現這樣的局面，只能説對於俄海軍而言，固體燃料綜合性能還不如液體燃料，所以兩利相權取其重了。在蘇聯解體後，俄羅斯的固體燃料推進劑的研發上更是沒有任何顯著進展，從其至到今天仍然熱衷於研發液體燃料的“RS-28薩爾馬特”就可窺其一斑，事實上在俄海軍中，液體燃料的潛射洲際彈道導彈佔了絕大多數，而美、中、法三國從來就沒研製過任何一款液體燃料的潛射彈道導彈。總的來説，在固體燃料推進劑或者含能材料領域，中美兩國各型材料種類齊全，研究領域全面，成果不斷湧現，算是齊頭並進，處於世界領先水平；隨後是歐洲各國，各型材料基本齊全，研究突出重點，處於世界先進水平；再隨後是俄羅斯，各型材料基本齊全，但創新乏力，基本沒什麼成果，處於世界一般水平；最後是日本，材料種類不齊全，產量有限，研究多集中於應用領域，處於有限研究水平。
圖13：金屬氫的生成非常苛刻，需要極高的壓力，一般認為木星的核心由金屬氫構成
影響戰略導彈射程的第三個重要因素是其電子設備，電子設備的作用是執行飛行程序，引導導彈準確的飛向目標，但是電子設備本身的重量也會對戰略導彈的射程造成直接影響，因為導彈的第三級每減重1公斤，射程就可以提高16公里。這方面最典型的例子就是美國的“三叉戟1-C4”對“海神-C3”的進化,C4和C3這兩款潛射彈道導彈的尺寸大小完全一樣，可以使用相同的發射筒發射，但C4的電子設備使用MK-5型慣導設備取代了C3上使用的MK-3型慣導設備，在性能相當的情況下電子導航艙段的體積重量大減，使的C4有更多的空間安裝了第三級發動機，再加上殼體材料和固體燃料推進劑的改進，最終使C4的最大射程在C3的4600公里的基礎上暴增60%，達到了7400公里。
美國D5研製於上世紀八十年代初，1989年於俄亥俄級的第九艘田納西號上正式開始服役，電子設備的水平完全就是上世紀八十年代冷戰時期的水平；法國M51於1991年開始研發，1997年開始實施，M51是脱胎減化於之前M5的設計，M5立項研製始於1988年，其電子設備水平基本上就是冷戰前後的水平 ，M51就算先進一些，但也就是上世紀九十年代的水平，M51於2004年首次獲得法國海軍訂貨；俄羅斯圓錘立項於1998年，比巨浪-2早了一年，基本上算同期研發的導彈，但圓錘脱胎於“RT-2PM2白楊M”，這歷史就更早了，而且俄羅斯的電子設備向來不是強項，就算到了今天，航天級芯片都還得從中國進口，而上世紀九十年代又是俄羅斯經濟最困難的時期，所以圓錘的電子設備水平很有可能還不如M51。而巨浪-2是1999年底才立項，2000年以後才開始研發，是唯一於21世紀才研製的全新彈種，理所應當的具有最先進的電子技術水平，在這方面巨浪-2相比美、俄、法都有着不小的後發優勢。
電子設備的更新換代速度非常快，上個世紀八十年代，IBM推出的第一代個人電腦“8086”，整台電腦只有16K的內存，那時候普通家庭裏看的還是14英寸的黑白電視；而到了九十年代，微軟公司已經推出了革命化的“windows 95”，移動通訊使用的是“BP機”和“大哥大”，也就是俗稱的磚頭機；而到了2000年以後，智能手機已經開始普及，移動互聯網進入了3G時代。根據摩爾定律，集成電路每隔18個月性能就會翻一倍，而價格不變。洲際彈道導彈的電子系統自然也逃不出這個規律，比如和D5同時期的“和平衞士MX”，它的慣導設備是“先進慣性基準球（AIRS）”，這基準球技術上達到了機械式慣導的最高水準，但基準球直徑達到了0.5米，重量達到了52公斤，又大又重。而對於2000年以後才開始研發的巨浪-2來説，就可以使用近年來發展成熟的激光陀螺捷聯慣導，重量可以壓低到1公斤以內，而且精度高、體積小。其他所有電子設備也是一樣，當年可能需要大量電子管、晶體管制成的設備，同樣的功能現如今只需要指甲蓋大小的一塊航天芯片就可以了。
圖14：美軍第四代陸基洲際彈道導彈“和平衞士MX”使用的先進慣性基準球（AIRS），達到了機械式慣導的最高水平，是世界上精度最高的機械式陀螺儀，每小時僅偏離1.5×10-5度，使MX洲際彈道導彈可以在完全不依賴外部信息的情況下，在14000公里理論極限射程上偏差仍小於100米
圖15：先進慣性基準球（AIRS）由一整塊鈹金屬經過400多道機械加工工序製成，堪稱鈹制陀螺的巔峯之作，但短板也顯而易見，慣性基準球的直徑達到了0.5米，重量52公斤
圖16：更悲劇的是一枚導彈還不止使用一個，上圖是MX洲際彈道導彈的慣性導航艙段，激光陀螺儀出現前，高精度慣性導航元件的體積和重量巨大，成本更是個天文數字。MX洲際彈道導彈和三叉戟D5幾乎同時研製於上世紀八十年代初期，屬同時代的產品，它們之間具有相互參考意義
圖17：激光陀螺儀（RLG），核心件重量僅0.2公斤。世界上能生產這種表面粗糙度小於0.1nm的超精密光學元件的僅有四家公司，美、俄、中、法各一家，正好是需要發展洲際彈道導彈的四個國家。這比能生產核潛艇或航空發動機的國家還少。上圖為俄羅斯的相關產品
圖18：中國企業生產的民用三軸激光陀螺儀，使用了三個核心
圖19：中國企業生產的軍用激光陀螺儀（RLG），從旁邊的手套和名片可以感知其體積