深海回音——巨浪2潜射洲际弹道导弹深度解析（二）_风闻
刘敏-军事观察员，独立撰稿人2019-05-09 17:28
四、技术水平
战略核导弹其中一个重要指标就是射程，根据美国媒体的描述，巨浪-2射程8000公里，可带多弹头。这些数字又被中国大陆媒体所引用，以至很多军事观察家也引用这些数字。但事实上巨浪-2的射程根本不止于此。8000公里射程确实是中国官方文献提到的数字，但提出该数字时是在1986年，已经是30多年前了。航天一院、二院、四院联合论证结果是立足于当时的中国技术实力做出来的，比如2米直径的固体燃料发动机最早就是按合金钢壳体来计算的；再比如当时的中国固体燃料水平只有端羟基聚丁二烯(HTPB)这样的第三代固体燃料推进剂；当时的电子元器件还处于电子管时代，又笨又重，惯导设备还处于机械惯导时代，8000公里射程就是以这样的技术条件为基础被论证出来的。
但事实上中国军工技术进步的脚步从未停止，依托同型号2米直径固体火箭发动机发展而来的东风-31射程就从来不是8000公里。官方媒体曾经在提到东风-31A时官泄说：“在老型号的基础上复合材料壳体减重300多千克，使最大射程提高了14%，提高了1300多公里”。从这段描述可以看到14%的射程为1300多公里，也就是说在1300公里到1400公里之间，我们取1350公里计算，那么早期的东风-31的射程就应该在9640公里左右，再与1350公里相加，得出东风-31A的射程为10990公里，这个数字与美国军方估计的11200公里的射程极为相近，恰好可以互相印证。
图10：东风-31虽然是名老兵，但从来就不是吃素的，东风-31A的射程已经超过了11000公里
二战后，弹道导弹的壳体材料发展经历了四代的发展，第一代壳体材料是以高强度的合金钢为代表的金属壳体，比如美国“民兵-3”的第一级、中国“东风-31”的第一级、法国“M-4”的第一级、俄罗斯“R-29”的第一、二级；第二代壳体材料则是采用纤维缠绕工艺制造的玻璃钢/环氧树脂，玻璃钢是最早的非金属基复合材料，比如美国“北极星-A3”的全部两级、中国“东风-31”的第二、三级、法国“M-2”的第二级、俄罗斯“R-39”的第一、二级；第三代壳体材料是芳纶纤维/环氧树脂，比如美国“三叉戟1-C4”全部三级采用的凯夫拉（凯夫拉是芳纶纤维的一种）、中国“东风-31A”的全部三级、法国“M-45”的第三级、俄罗斯“RT-2PM白杨”的第三级；第四代壳体材料是碳纤维/环氧树脂，也就是大家常简称的碳纤维，典型代表是美国“三叉戟2-D5”的第一、二级、中国“东风-26”的全部两级、法国“M-51”的全部三级、俄罗斯则没有碳纤维壳体的弹道导弹。这四代材料，每一代的发展都是一个巨大的技术飞跃。比如，在相同的强度下，玻璃纤维壳体就比钢壳体重量减轻20%-50%；芳纶纤维/环氧树脂壳体又比玻璃钢壳体重量减轻35%；而高强度中等模量的碳纤维壳体又比芳纶纤维/环氧树脂壳体减轻25%-30%，而且还不断有更高性能的碳纤维材料和树脂基材料出现。
东风-31的第一级FG-6固体火箭发动机使用的是最原始的合金钢壳体，第二级FG-07、第三级FG-08使用的则是玻璃钢壳体。而东风-31A提高射程的秘密就是全部三级壳体改用第三代的芳纶纤维/环氧树脂。芳纶纤维/环氧树脂在中国已经应用在众多型号导弹上使用，技术十分成熟。但在第四代壳体材料的碳纤维领域，虽然美国早在上个世纪80年代就在三叉戟2-D5上使用了IM7碳纤维，但在中国一直发展缓慢，尤其是高性能航天级碳纤维一直是西方高度封锁的技术，甚至封锁成品，比如在美国需要购买就需要获得美国政府多个部门的审批，是具有极高政治敏感性的战略性物资。2013年就有中国商人以私人身份在美国市场购买了1公斤T-800级别的碳纤维样品，即被美国政府以间谍罪逮捕。
中国本身在高性能碳纤维领域，在一个较长时间段内一直无法取得技术突破。直到2002年9月首飞的“开拓者-1”型火箭的第四级上才首次使用了碳纤维壳体，但遗憾的是首飞以失败告终。在军用导弹领域，至到2008年7月，才在设计“东风21-D”的第一、二级上采用了碳纤维壳体，导弹于2010年9月25日首飞获得成功，后来该型号改名为“东风-26”。这是中国首次在弹道导弹领域使用碳纤维材料，这比美国的“三叉戟2 -D5”整整晚了25年以上。而相当于日本东丽公司T-700级别的碳纤维，中国至到2007年11月才在连云港实现投产；相当于T-800级别的碳纤维，至到2012年5月才在江苏实现了投产；相当于T-1000级别的碳纤维，中国更是直到2018年2月才在连云港实现投产。随着2007年中国T-700级别的碳纤维的投产，中国军工产品的碳纤维使用量大幅提高，包括各型军机上的垂直尾翼、水平尾翼、起落架舱盖、机身蒙皮等，直升机上的机身框架结构、旋翼等，各型导弹壳体材料等。
因为巨浪-2和东风-31A在1999年底是同时立项的，所以早期笔者推测巨浪-2的壳体材料时推测它和东风-31A一样，应该是芳纶纤维/环氧树脂，首先排除性能落后的玻璃钢，而当时中国碳纤维产业发展才刚刚起步，从技术成熟度来看机率并不高。但近期官方公布的资料却又明确指出，巨浪-2和最新的东风-41壳体使用的正是碳纤维，这虽然在意料之外，但又感觉在情理之中，因为中国T-700级别的碳纤维在2007年底投产，2008年设计的东风-26就已经使用了碳纤维壳体，而巨浪-2在2009年有一次补充设计，这次设计对壳体结构进行了全方位改进设计，并重新做了静力实验，并强调新的设计一次成功，巨浪-2做为战略优先级别比东风-26高得多的终极战略性武器，而设计团队又在追求极限性能，所以壳体改用先进的碳纤维是完全合情合理的。当然也可能从最初的设计就是使用的碳纤维，因为采用碳纤维制造第四级壳体的开拓者-1立项研制是在2000年5月，比1999年底立项的巨浪-2仅晚了几个月，完全是同一时期，而且开拓者-1仅仅是航天科工自筹资金、自负盈亏的市场化运作产品，连开拓者-1都用上了碳纤维，战略级别不知道高了多少倍的巨浪-2从一开始就采用碳纤维完全是情理之中的事。
图11：正在纤维缠绕机上的法国M-51洲际导弹壳体，使用的碳纤维制造
影响战略导弹射程的第二个重要因素则是固体燃料推进剂，美法两国都已经使用了硝酸酯增塑聚醚（NEPE）这样的第四代固体燃料推进剂。比如美国三叉戟2-D5使用的NEPE-75和法国M51使用的Nitralane，NEPE的比冲可以达到了274秒以上。在第四代的NEPE推进剂领域中国和西方完全处于同一水平，中国早在上个世纪九十年代末就研制出了NEPE级别的第四代固体燃料推进剂，被命名为N-15，后来又推出了其改进型N-15B、N-15C、N-15D等型号，N-15在综合性能上与美国的NEPE-75和法国Nitralane完全旗鼓相当，部分指标甚至有所领先，比如东风-31A第三级上使用的N-15理论比冲就超过了美国三叉戟2-D5上使用的NEPE-75。在2007年出版的《二十一世纪航天科学技术发展与前景高峰论坛暨中国宇航学会第二届学术年会论文集》的第一页第三条就明确指出我国的N-15是当时世界上已公布的综合性能最好的固体燃料推进剂。而且中国更高能量密度的新改进型推进剂也已经完成。如今N-15已广泛应用于中国的各型战略导弹和红旗-10A、飞弩-16这样的战术导弹上。
中国对NEPE推进剂的下一步发展重点是使用刚刚成熟起来的CL-20对NEPE配方进行改进。中国是继美、法之后世界上第三个合成CL-20的国家，但却是第一个将它成功工业化生产的国家。CL-20学名六硝基六氮杂异伍兹烷（HNIW），是目前世界上已研发出的能够实际应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药，爆炸速度高达9500米/秒，被誉为“突破性含能材料”和“炸药之王”，属于第四代炸药。中国CL-20的研制单位是北京理工大学，在2001年北理工就凭借对CL-20的重大原始理论创新获得“国防科工委科学技术一等奖”，2016年又凭借工程化的重大贡献获“国防科技进步特等奖”。使用CL-20对NEPE固体燃料推进剂进行改进，中国已经研发了十几年，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固体燃料推进剂的总冲量提高17%，使其在最大推力不变的情况下比冲超过320秒。使用这种新型含CL-20的NEPE固体燃料推进剂的固体火箭发动机，已经于2018年11月15日于航天科技第四研究院的地面热试车中取得圆满成功。总体来说CL-20各项性能俱佳，唯一的缺点是价格昂贵，这只有不断推进工业化量产和改进生产工艺来逐步改善。而美国的CL-20工业化生产目前来看似乎遇到重大挫折，之前试生产线生产的产品单位成本是一个天文数字，且一直无法降低，而且纯度不佳，改进措施是更换生产工艺路线否则就要暂停整个项目。
图12：实验中的固体火箭发动机进行地面热试车
而更新一代含能材料，中国也已经取得了突破，2017年初南京理工大学成功合成世界首个“全氮阴离子盐（N5-）”，中国在新一代超高能含能材料研制上已经处于世界领先地位。全氮类超高含能材料理论能量密度可达TNT的10到100倍，爆炸速度可高达14000米/秒，具备高密度、高能量、爆轰产物清洁无污染、稳定安全等特点，是下一代高能炸药和固体燃料推进剂的主要成分，如果将全氮含能材料制成固体燃料推进剂，比冲有可能突破500秒大关。美国在这个领域于1998年就成功合成了“全氮阳离子盐（N5+）”，但是在全氮阴离子盐上却始终无法突破。美国全氮阳离子盐与中国全氮阴离子盐相比稳定性较差，在合成过程中就曾经炸毁过实验室；在合成方面中国全氮阴离子盐具有实验操作简单，所用原料安全无毒，不存在毒性和腐蚀性的优点，而美国全氮阳离子的合成需要使用毒性、腐蚀性较大的氢氟酸；在制造成本上，也是全氮阴离子盐更加低廉；最重要的是由于全氮阳离子盐合成的化合物氮含量下降，不如全氮阴离子盐与氮阳离子合成的纯氮材料，在能量密度上逊色一筹，目前已经不是发展主流。
而美国近些年在高含能材料上的突破当然要数逼格更高的“金属氢”了，同样是2017年初，美国哈弗大学宣布制成世界上第一块金属氢，金属氢是一种梦幻材料，首先它在常温下就可以实现超导，应用于电子、电力行业，将引发一场超级革命；其次，金属氢做为一种含能材料，理论能量密度可达TNT的40倍，爆炸速度可高达15000米/秒；如果制成固体燃料推进剂，比冲将达到逆天的1700秒，秒杀任何液体发动机，火箭单级入轨、空天飞机、重复使用航天器都将是弹指间的事。中国对金属氢的研究也从未落后，山东大学团队在2019年4月刚刚提出利用碳纳米管以相对低压制金属氢的新理论。金属氢目前在各国仍处于理论探索阶段，哈弗大学这次在实验室里用金刚石对顶砧装置在495万个大气压下造出了针尖大小的一块金属氢，制造难度太高，如何稳定金属氢也将是一个大伤脑筋的问题，想要工业化生产更是难如登天，总的来说，金属氢在各项指标中全面领先全氮阴离子盐。全氮阴离子盐制成的固体燃料推进剂如果算是第五代，那金属氢毫无疑问就要算第六代，但人类刚刚摸到金属氢的大门，还需要大量时间对其进行深入理论探索，想要金属氢真正能实用化，也许还要三十年、也许是五十年，谁也不知道。而相比而言，全氮阴离子盐已经处于工业化的边缘了，未来几年之内中国就将推出全氮阴离子盐的下一代固体燃料推进剂。
至于俄罗斯的固体燃料推进剂水平如何，其实在苏联时代的发展就从来没顺畅过，比如原本给“台风”研制的“R-39鲟鱼”的第一、二级已经使用了固体燃料推进剂，但是到上世纪八十年代初研制“德尔塔IV”的“R-29RM轻舟”时，却又回头采用三级液体燃料方案，这可是美帝使用NEPE研制“三叉戟2-D5”的时代了，再然后到九十年代研制“R-30圆锤”的时候，又局部变回固体燃料的方案，变成半固体半液体的局面，圆锤的第一、二级是固体的，第三级仍然是液体的。之所以出现这样的局面，只能说对于俄海军而言，固体燃料综合性能还不如液体燃料，所以两利相权取其重了。在苏联解体后，俄罗斯的固体燃料推进剂的研发上更是没有任何显著进展，从其至到今天仍然热衷于研发液体燃料的“RS-28萨尔马特”就可窥其一斑，事实上在俄海军中，液体燃料的潜射洲际弹道导弹占了绝大多数，而美、中、法三国从来就没研制过任何一款液体燃料的潜射弹道导弹。总的来说，在固体燃料推进剂或者含能材料领域，中美两国各型材料种类齐全，研究领域全面，成果不断涌现，算是齐头并进，处于世界领先水平；随后是欧洲各国，各型材料基本齐全，研究突出重点，处于世界先进水平；再随后是俄罗斯，各型材料基本齐全，但创新乏力，基本没什么成果，处于世界一般水平；最后是日本，材料种类不齐全，产量有限，研究多集中于应用领域，处于有限研究水平。
图13：金属氢的生成非常苛刻，需要极高的压力，一般认为木星的核心由金属氢构成
影响战略导弹射程的第三个重要因素是其电子设备，电子设备的作用是执行飞行程序，引导导弹准确的飞向目标，但是电子设备本身的重量也会对战略导弹的射程造成直接影响，因为导弹的第三级每减重1公斤，射程就可以提高16公里。这方面最典型的例子就是美国的“三叉戟1-C4”对“海神-C3”的进化,C4和C3这两款潜射弹道导弹的尺寸大小完全一样，可以使用相同的发射筒发射，但C4的电子设备使用MK-5型惯导设备取代了C3上使用的MK-3型惯导设备，在性能相当的情况下电子导航舱段的体积重量大减，使的C4有更多的空间安装了第三级发动机，再加上壳体材料和固体燃料推进剂的改进，最终使C4的最大射程在C3的4600公里的基础上暴增60%，达到了7400公里。
美国D5研制于上世纪八十年代初，1989年于俄亥俄级的第九艘田纳西号上正式开始服役，电子设备的水平完全就是上世纪八十年代冷战时期的水平；法国M51于1991年开始研发，1997年开始实施，M51是脱胎减化于之前M5的设计，M5立项研制始于1988年，其电子设备水平基本上就是冷战前后的水平 ，M51就算先进一些，但也就是上世纪九十年代的水平，M51于2004年首次获得法国海军订货；俄罗斯圆锤立项于1998年，比巨浪-2早了一年，基本上算同期研发的导弹，但圆锤脱胎于“RT-2PM2白杨M”，这历史就更早了，而且俄罗斯的电子设备向来不是强项，就算到了今天，航天级芯片都还得从中国进口，而上世纪九十年代又是俄罗斯经济最困难的时期，所以圆锤的电子设备水平很有可能还不如M51。而巨浪-2是1999年底才立项，2000年以后才开始研发，是唯一于21世纪才研制的全新弹种，理所应当的具有最先进的电子技术水平，在这方面巨浪-2相比美、俄、法都有着不小的后发优势。
电子设备的更新换代速度非常快，上个世纪八十年代，IBM推出的第一代个人电脑“8086”，整台电脑只有16K的内存，那时候普通家庭里看的还是14英寸的黑白电视；而到了九十年代，微软公司已经推出了革命化的“windows 95”，移动通讯使用的是“BP机”和“大哥大”，也就是俗称的砖头机；而到了2000年以后，智能手机已经开始普及，移动互联网进入了3G时代。根据摩尔定律，集成电路每隔18个月性能就会翻一倍，而价格不变。洲际弹道导弹的电子系统自然也逃不出这个规律，比如和D5同时期的“和平卫士MX”，它的惯导设备是“先进惯性基准球（AIRS）”，这基准球技术上达到了机械式惯导的最高水准，但基准球直径达到了0.5米，重量达到了52公斤，又大又重。而对于2000年以后才开始研发的巨浪-2来说，就可以使用近年来发展成熟的激光陀螺捷联惯导，重量可以压低到1公斤以内，而且精度高、体积小。其他所有电子设备也是一样，当年可能需要大量电子管、晶体管制成的设备，同样的功能现如今只需要指甲盖大小的一块航天芯片就可以了。
图14：美军第四代陆基洲际弹道导弹“和平卫士MX”使用的先进惯性基准球（AIRS），达到了机械式惯导的最高水平，是世界上精度最高的机械式陀螺仪，每小时仅偏离1.5×10-5度，使MX洲际弹道导弹可以在完全不依赖外部信息的情况下，在14000公里理论极限射程上偏差仍小于100米
图15：先进惯性基准球（AIRS）由一整块铍金属经过400多道机械加工工序制成，堪称铍制陀螺的巅峰之作，但短板也显而易见，惯性基准球的直径达到了0.5米，重量52公斤
图16：更悲剧的是一枚导弹还不止使用一个，上图是MX洲际弹道导弹的惯性导航舱段，激光陀螺仪出现前，高精度惯性导航元件的体积和重量巨大，成本更是个天文数字。MX洲际弹道导弹和三叉戟D5几乎同时研制于上世纪八十年代初期，属同时代的产品，它们之间具有相互参考意义
图17：激光陀螺仪（RLG），核心件重量仅0.2公斤。世界上能生产这种表面粗糙度小于0.1nm的超精密光学元件的仅有四家公司，美、俄、中、法各一家，正好是需要发展洲际弹道导弹的四个国家。这比能生产核潜艇或航空发动机的国家还少。上图为俄罗斯的相关产品
图18：中国企业生产的民用三轴激光陀螺仪，使用了三个核心
图19：中国企业生产的军用激光陀螺仪（RLG），从旁边的手套和名片可以感知其体积