中國水下發射大型火箭的新絕技

巨浪2的長度多少米

據說這是“巨浪2”導彈的發射

在第二屆全國創新爭先獎獎牌獲獎團隊中，有中國航天科技集團有限公司第一研究院水下發射大型固體運載火箭研製團隊。團隊主要負責人、黨委書記、副院長李明華說到：

“團隊在我國首型、新型和新一代水下發射大型火箭研製中，取得了基礎理論、關鍵技術和工程管理的體系化創新成果。面對水下發射大型火箭研製這一世界性難題， 團隊突破了旋成體跨介質多相流控制理論，獨創了出水多相流主動控制新原理，使我國具備了大型火箭水下可靠發射能力，部分技術國際領先；提出“三步走”戰略，全面突破系列特有關鍵技術，首型火箭綜合性能達到國際先進水平，亮相70週年國慶閱兵方陣；新型火箭完成工程研製，投送距離世界第一；新一代火箭背景預研立項， 關鍵技術攻關取得重大進展。團隊正在超前佈局顛覆性技術和重大基礎問題研究，著力突破跨介質飛行技術新原理和理論新方法，以支撐後續先進水下發射運載火箭新發展。曾獲國家科學技術進步獎特等獎、國家級管理創新成果獎-等獎、中央企業優秀科技創新團隊等獎勵。“

最大的看點在於：

1、 投送距離世界第一

2、 旋成體跨介質多相流主動出水控制

水下發射大型火箭無益是指潛射洲際導彈。中國的潛射導彈已經發展了“巨浪1”和“巨浪2”。“巨浪1”的射程只有1700公里，增程的“巨浪1A”也只有2500公里，實在說不上洲際。“巨浪2”加大了，射程增加到8000公里，有用很多，但還是不夠。

由於潛艇靜音技術的限制，中國核潛艇在可預見的將來難以突破第一島鏈，深入太平洋發射導彈。從東海發射，8000公里也就夠勉強打到夏威夷，從黃海可以打到安克雷奇。就從無到有來說，這是巨大的進步，但從中國的戰略需要來說，是不夠的。

“巨浪2”比“巨浪1”大了一圈，圖中長度為13米，一說實際上達到14米

這使得094具有顯眼的龜背

有說法“巨浪3”實際上是“巨浪2”的深度改進型，就像東風31AG改進自東風31A，所以外形尺寸相同。不管是“巨浪2改“還是”巨浪3“，據說已經進行過發射試驗了，射程達到12000公里，可以從黃海打到紐約，或者從南海打到鳳凰城。美國的“三叉戟II D5”也是12000公里。有可能實際射程比報導的更高，能打到14000公里就很充裕了，可以從南海深處覆蓋美國全境。“三叉戟II D5”也說是“至少12000公里”。這些細節不要緊，關鍵是管用了。

據報道，“巨浪2改”（或者“巨浪3“）射程增加來自更加先進的輕質彈體，採用第四代的碳纖維彈體（前三代為高強度合金鋼、纖維纏繞玻璃鋼、芳綸-環氧），與美國”三叉戟II D5“的第一、二級（第三級依然為芳綸-環氧）和中國東風26相同。發動機使用先進的N-15固體燃料推進劑，官媒稱達到世界最高綜合性能，超過美國公佈的“三叉戟II D5”使用的NEPE-75的公開資料，甚至有可能採用更高能量的CL-20。在微電子方面，除了重量和體積只有80年代研製的“三叉戟II D5”一個零頭的超大規模積體電路，還採用了鐳射陀螺，重量只有高精度機械陀螺的一個零頭。美國“海神C3”演進到“三叉戟I C4”時，導彈的尺寸未變，但慣導和電子系統減重使得電子裝置艙的體積和重量大減，有空間安裝第三級火箭發動機，加上殼體減重和固體燃料推進劑的改進，使得射程從4600公里猛增到7400公里。但“巨浪2改” （或者“巨浪3“）還採用了更加極端的先進發射技術。

魚雷的雷頭形狀圓鈍，這是為水動力最最佳化的

陸基洲際導彈的彈頭就是子彈頭一樣的圓弧錐形的，要更加尖銳，彈體比較細長這是為氣動力最最佳化的，這是美國“民兵III”陸基洲際導彈

潛射導彈的彈頭就要圓鈍得多，彈體也很短粗，這是美國“三叉戟II D5”潛射洲際導彈

潛射導彈的運動有水中上升、空氣中上升、彈道飛行、再入大氣層四個階段。彈道飛行無所謂氣動外形，再入的氣動和熱力學設計是另外的問題，在空氣中上升與陸基導彈是相同的氣動問題，但在水中上升是潛射導彈獨有的問題，把兩個上升段的水動力和空氣動力問題結合起來考慮，是潛射導彈的獨有挑戰。

海水的密度比空氣高800倍，高速運動的水動力最優外形是水滴型，比較圓鈍、短粗，而且需要像蝌蚪尾巴一樣的收尾。事實上，特別細長的物體在水中的摩擦阻力太大，實際上並不利於高速航行。在空氣中，導彈的運動速度快得多，在稠密大氣層中就達到超音速，最優外形是子彈頭一樣的圓弧錐形，而且彈體應該比較細長。空氣中的摩擦阻力較小，迎風阻力是主要問題。

大直徑艇體是導彈潛艇的第一大技術難關，所以潛射彈道導彈難以透過加大長度來增加火箭發動機的燃料量和射程，只能加粗。這決定了較難採用很大尖銳度和較長的圓弧錐形，而只能採用相對圓鈍短挫的頭錐。圓鈍的頭錐也上適合將多彈頭環形佈置，這樣可以最大限度地利用鈍圓的彈頭形狀，中間的空間可以容納額外的火箭發動機。這也是充分利用導彈全長內所有容積的最有效的辦法。問題是這樣一來，氣動阻力就大了。

為了儘可能多帶彈頭，“三叉戟II D5”的彈頭環形佈置

彈道導彈在飛出大氣層後固然不需要考慮氣動阻力問題，但在飛出大氣層之前還是對氣動阻力很敏感的。但彈道導彈的加速很快，在飛出大氣層前就達到超音速。既然如此，就可以利用超音速飛行時的激波現象。

激波是飛行體速度超過音速時對前方空氣高度壓縮的結果。由於空氣中壓力波的傳播速度為音速，飛行體速度超過音速時，前方空氣就被“壓到一起”，所以密度急劇升高，好比虛擬的石牆。激波的形狀為飛行體尖端向後展開的圓錐體，速度越快，角度越尖銳。圓錐體的角度的正弦與馬赫數成反比，M2正好對應於60度，所以第一代M2戰鬥機（如幻影III、米格-21）採用約60度的機翼後掠角不是偶然的。M4則對應於約75度的後掠角。實際超音速飛機的設計不僅需要考慮超音速減阻，還要綜合考慮起飛、著陸、中速和高亞音速飛行效能，所以後掠角通常小於馬赫角。這是估計無偵8的飛行速度至少達到M4的主要依據。換句話說，潛射彈道導彈的彈頭錐應該具有至少75度的錐度，否則在飛出大氣層的過程中將面臨很大的氣動阻力。比照“巨浪1”，彈頭錐也確實相當尖銳。但這樣的錐度對彈內空間和佈置多彈頭很不友好。

“三叉戟I C4”，減阻杆已經彈出

“三叉戟II D5”及彈出的激波減阻杆

但是變一個思路，在鈍圓的彈頭錐前端彈出一個很長的減阻杆，杆端甚至加一個小帽，在高速飛行時人為製造一個強烈的前置激波錐，形成虛擬的尖銳整流罩，也能起到氣動減阻作用。前置激波錐還降低彈頭錐整流罩承受的氣動壓力，降低結構強度要求，減輕結構重量，正好補償減阻杆和彈出機構的額外重量。形成額外的激波錐是需要消耗火箭發動機的能量的，但這是“吃小虧賺大便宜”的典範，用較小的能量代價換來很大的減阻效果，是值得的。據報道，“三叉戟II D5”的減阻杆能達到減阻50%的效果。

應該指出：減阻杆只有在潛射導彈上使用，陸基導彈上不用。這是因為陸基導彈對長度不那麼敏感，用更加尖銳的整流罩可以達到同樣的減阻作用，但不需要耗用能量形成前置的激波錐，有利於增加射程或者載荷。另外，減阻杆看似簡單，但精密度和可靠性要求極高。減阻杆的彈出機構需要高度可靠，彈出後需要在預定位置可靠鎖定，減阻杆本身和小帽必須與彈體軸線精密重合，否則變形的激波錐將大大增加阻力，甚至導致飛行的不穩定。

減阻杆激波減阻示意圖

美國潛射彈道導彈從“海神C3”開始就採用減阻杆技術，但據說“巨浪2改”採用的是更加複雜但對水動力和空氣動力要求兼顧更好的雙整流罩，外層整流罩是適合水動力航行的水滴形，出水後拋掉，露出內層的更為尖銳的圓弧錐形整流罩，更加適合空氣裡的高速飛行。發射重量比減阻杆更大，但出水後拋掉圓鈍整流罩後，重量並不更大，彈內空間的損失也較小。

有訊息說，“巨浪2改”還採用了尾整流罩，也在出水時拋掉。尾整流罩與首整流罩不同，圓鈍的首整流罩可以包覆在尖銳的圓弧錐形的內整流罩之外，並不增加導彈總長。尾整流罩就要顯著增加彈尾長度了，這對艇體高度嚴重受限的潛艇是不能接受的。以某種形式可向後彈出並可拋棄的尾整流罩可解決長度問題，但大大增加複雜性。然而，在彈底套上摺疊起來的橡皮套，在發射時用高壓氣體充氣彈起，不僅形成尾整流罩，也在導彈彈出發射筒的時候助推一把，或許是個好辦法。在火箭發動機點火時，尾焰的高溫和壓力加上解鎖可自動拋掉橡皮套。現有的“巨浪2”出水的圖片上，或者火箭發動機已經點火，或者彈尾籠罩在水霧之眾，無法證明這樣的尾整流罩的存在，但拋落的硬質整流罩確實沒有跡象。

潛射導彈上自帶高壓氣體發生器，這是中國的獨創。導彈在阻力很大的水中運動時，既可以有動力，由水下點火的火箭發動機推動出水；也可以無動力，靠高壓氣體助推發射時的慣性加上浮力出水。動力出水的速度高，穩定性好，但耗用火箭燃料較大，有損射程。法國和俄羅斯的潛射導彈採用這個技術。為了補償射程損失，部份火箭燃氣用於在彈體前方和周圍產生氣泡，導彈在氣泡包裹中上升，只有導彈與氣泡的摩擦阻力，而沒有導彈與水體的摩擦阻力。氣泡層也可看作導彈與水體之間的潤滑劑。俄羅斯的“超空泡魚雷”正是用這樣的技術達到200節的超高速的。

超空泡魚雷在彈體周圍包覆一層氣泡，既可以把氣泡層看作潤滑劑，也可以把氣泡層看作魚雷與水體的隔離層，雷體與氣泡的摩擦阻力遠遠低於水體，達到減阻目的

但這依然耗用火箭燃料，縮短射程。“三叉戟II D5”則是無動力出水，在水面點火，所以射程達到最大。但無動力出水的水下彈道不可控，出水姿態需要在躍出水面的瞬間由姿態控制火箭大幅度矯正，不僅技術複雜，這本身也耗用火箭燃料。

“巨浪2改”也採用無動力出水，以達到最大射程，但同時自帶高壓氣體發生器，採用水中主動空泡減阻技術，雙管齊下，增加出水穩定性，並保持最大射程。但這只是李明華所說的獨創技術的一半，另一半是“出水多相流主動控制”。

包覆式的氣泡層不是“實心”的，實際上是氣泡與海水的混合，在彈體表面的流動正是氣相與液相混合的多相流動。氣泡層不僅減阻，還提供了新的可能性。主動控制和形成不對稱氣泡層就可以控制阻力分佈，實現水下的姿態控制。這與火箭的側推姿態控制是兩回事，但有異曲同工之妙。比如說，在導彈姿態向右傾斜的時候，在左側減少“冒泡”，縮小氣泡層的厚度，就相當於在左側增加阻力，使得彈體向左傾斜。反之亦然。這樣，在無動力出水過程中，導彈也保持姿態控制，使得出水姿態保持最優，大大降低姿態控制火箭的工作量，可以把更多的燃料用於推進而不是姿態矯正上，增加射程。

透過這些先進技術，“巨浪2改”（或者“巨浪3”）達到了世界先進水平，成為中國水下核力量的中堅。據報道，094及其改進型已經建造了5艘，第6艘 在建。每艘搭載12枚“巨浪2改”，每枚搭載8個分導彈頭，那就是576個核彈頭。這是強大的威懾力量，遠遠超過美歐自慰的“中國只有290枚核彈頭”。

中國需要殲-20、99A坦、055、航母，但中國也需要足夠數量的核武器，這才是中國國家安全的終極保證。“巨浪2改”則是確保這樣的終極保證能可靠遞送到目的地的主要手段。李明華和他的戰友們功莫大焉。