小火箭 | 詳解火星15:一年走完我國從東風3到東風5的路

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公元2017年11月29日凌晨2點17分，朝鮮試射了最新的洲際彈道飛彈火星-15。飛彈沿預定軌道飛行53分鐘，彈道最高點為4475公裡，彈道落點距離發射點950公裡。

小火箭在本文要與大家共同探討以下幾個問題：

火星-15是怎樣的一款飛彈？

從火星-15的高拋彈道數據可否計算出該飛彈的最大射程？

今後朝鮮的飛彈工業將會有怎樣的發展？

小火箭補充的有關技術風險。

洲際

擁有自己的洲際彈道飛彈可以說是每個軍事大國的願望，而如果這樣的洲際彈道飛彈還能夠攜帶有足夠突防能力的核彈頭的話，基本上就可以算作是極致追求了。

朝鮮想要擁有自己的洲際彈道飛彈的渴望同樣非常強烈。在一年時間內，從火星-10（舞水端）單級彈道飛彈到火星-12單級彈道飛彈再到火星-14二級彈道飛彈，最後到如今的火星-15二級洲際彈道飛彈，朝鮮完成了4款彈道飛彈的研製和試射任務，其速度超過了任何一個國家。

在了解火星-15洲際彈道飛彈之前，我們需要先深入分析一下火星-14彈道飛彈，以便弄清楚朝鮮發展火星-15飛彈的必要性。

在小火箭2017年7月6日發布的公號文章《小火箭對朝鮮剛剛試射的火星-14彈道飛彈的分析》中，我們聊過：整體來看，火星-14彈道飛彈並不能夠算作是一款完全從頭研製的飛彈，而應該被視作是以火星-12單級彈道飛彈為基礎，在上面添加了一個第二級的二級彈道飛彈。

小火箭的計算結論：

火星-14彈道飛彈能夠將400公斤彈頭送至6333.5018公裡遠的地方。

小火箭計算了4條火星-14彈道飛彈的彈道，以便展示該款飛彈的覆蓋範圍。

小火箭補充一下：媒體上提到的火星-14的射程可達6700公裡甚至7000公裡的說法，是用極其簡化的公式估算的，實際上並不具備實戰意義。應當綜合考慮彈頭攜帶能力和引入第二級帶來的空氣動力學和彈體結構方面的變化。因此實際作戰使用時，有效射程為6333.5公裡。

按照美國標準，這樣的射程已經可以稱得上洲際彈道飛彈了。按中國標準，火星-14彈道飛彈應歸為遠程彈道飛彈，尚未達到射程大於8000公裡的劃分標準。

（美國標準：射程大於3400英裡，也就是射程大於5500公裡的彈道飛彈可被認定為洲際彈道飛彈。）

從單級的火星-12彈道飛彈發展到二級的火星-14彈道飛彈，這不禁讓小火箭回想起了咱們的發展道路。

公元1965年3月11日，錢學森博士牽頭提出了「八年四彈」的規劃。也就是在1965年到1972年這8年的時間內，完成4型飛彈的研製。這4款飛彈分別是東風2號、東風3號、東風4號和東風5號。每一款飛彈的射程基本上都要是前一款的1.5倍至2倍以上。

在規劃中，錢學森博士給出了較為詳細的技術解決方案：東風-4號中遠程彈道飛彈採用兩級布局，使用以東風-3號中程彈道飛彈為基礎的結構作為第一級，加裝的第二級採用高空噴管。

咱們從東風-3號單級彈道飛彈發展到東風-4號二級彈道飛彈，攻克了高精度加速度計和陀螺儀技術、二級火箭的級間分離技術、二級火箭發動機高空點火技術、遠程彈道飛彈遙測技術這4項關鍵技術。

這一時期的發展，為我國兩彈結合試驗（飛彈+原子彈）和洲際彈道飛彈技術以及今後的彈道飛彈多彈頭技術提供了紮實的基礎。東風-4號大量採用東風-3號的成熟技術，使我國在當時的經濟水平和技術條件下，快速掌握了二級彈道飛彈，實現了質的飛越。

（小火箭在這裡要補充說明一下，兩彈一星中的兩彈指的是飛彈與核彈，一星指的是衛星。這個「兩彈」並非是原子彈與氫彈。）

從彈道飛彈型號的對比分析中，小火箭認為，朝鮮的火星-12飛彈對應於我們的東風-3飛彈，火星-14則對應我們的東風-4飛彈。

那麼，從4個月前咱們就在等待的與中國東風-5洲際彈道飛彈對應的朝鮮型號，也就終於在2017年11月底向全世界宣告了她的來臨。這就是火星-15。

火星-15是一款全新研製的彈道飛彈，從本質上講，是朝鮮摒棄了過去修修補補和簡單添加二級發動機的做法，開始認認真真探究真正擁有足夠投擲能力的洲際彈道飛彈的成功嘗試。

上圖為火星-15洲際彈道飛彈發射時的場景。

比起火星-14彈道飛彈1.71米的直徑來說，火星-15洲際彈道飛彈粗壯了不少，達到了2.21米。

飛彈的直徑是影響其投擲能力的關鍵參數。小火箭覺得，只有當飛彈的直徑大於2.2後，才算是認認真真做洲際彈的態度。

直徑過小的話，即使擁有了足夠的射程，但也終究因載荷重量的不足而難以攜帶足夠當量的核彈頭。

朝鮮尚無我國屠守鍔老先生這樣級別的設計師，因此從火星-14到火星-15的過程中稍微走了一點彎路（當然，朝鮮同行能夠在一年內就推出全新設計的火星-15這一點的確驚到了小火箭。）

補充：上世紀60年代，在咱們準備研製射程更遠的彈道飛彈時，是屠守鍔博士提出要把直徑做大，而不要過度追求長徑比的設計理念。

由此，我們的彈道飛彈就有了2.25米的設計直徑。這個參數一直影響到了今天：長徵系列運載火箭中，大量的助推器的直徑依然是2.25米。後來我們又有了3.35米和5米這兩種直徑規格，這就是後話了。

從火星-15洲際彈道飛彈的頭部來看，該飛彈的確與火星-14形成了代差，具備投擲1噸以上核彈頭的能力，同時具備搭載多彈頭的潛力。

有關多彈頭，詳見小火箭的公號文章《戰略飛彈多彈頭技術的由來與發展》。

不過，目前看來，火星-15的洲際彈道飛彈的射程和1噸量級的投擲重量之間尚有難以調和的矛盾，這個小火箭會在下文通過彈道計算來分析。

從火星-15彈道飛彈發射的照片來看，一級火箭發動機的噴口與彈體直徑相比很細小。

實際上，這是拍攝角度的問題。與朝鮮之前所有的彈道飛彈不同的是，火星-15飛彈的第一級發動機擁有2個推力室！

而且，沒有了遊動發動機！

這意味著，11月29日凌晨的這次試射，標誌著朝鮮掌握了擺動噴管技術。（而且是雙推力室雙向擺動技術。）

為了便於體會，小火箭再次提起咱們當年的情況：上世紀60年代，我國開始研製更遠射程的東風系列彈道飛彈的時候，對擺動噴管技術也是非常渴求的。

但是，為了保險起見，立項時依然採用了擺動噴管技術與燃氣舵技術並行的研製方案。

朝鮮在火星-15上使用擺動噴管技術，這一點也是蠻拼的。在各方壓力之下，這樣的跨越式大發展令人印象深刻。

在今年年初，讀過小火箭公號文章《對朝鮮舞水端彈道飛彈的幾點分析》的好友還記得，在火星-10彈道飛彈上，朝鮮首次嘗試了柵格翼/舵技術。

小火箭對柵格翼的流場進行了詳細計算。

另外，朝鮮在同一年（也就是今年），開始正式掌握遊動發動機技術。

這是蘇聯R-27潛射彈道的尾部。作為一款射程為2000公裡的潛射彈道飛彈，其性能即使在當年也不能算作突出。但是，該彈對遊動發動機的引入給彈道飛彈的制導與控制帶來了一股新風。

當飛彈的重量變得非常大時，單純依靠燃氣舵的控制方式顯得有些力不從心了，於是，在主發動機周邊布置推力較小但擺動範圍相對較大的遊動發動機就成了一個比較好的選擇。另外，遊動發動機的引入對於改善彈道飛彈關機點參數有很大的幫助，有助於提高飛彈的命中精度。

這是朝鮮火星-12彈道飛彈發射時的照片，可以看到在主發動機四周，有4臺遊動發動機。

而前兩天（2017年11月29日）試射的火星-15彈道飛彈的第一級用了擺動噴管技術。

算上之前的火星-5、火星-6等基於飛毛腿彈道飛彈的近程彈道飛彈，朝鮮已經掌握了燃氣舵、柵格翼/舵、遊動發動機、擺動噴管這4大控制技術，而且都已經在試射中得到了驗證。

我們作為火箭與飛彈總體設計專業的獨立工作室，認為：彈道飛彈和運載火箭有5大姿態控制技術。

除了上述朝鮮已經掌握的4種外，僅剩矢量噴氣技術尚未被朝鮮掌握。而該技術與多彈頭播撒器在太空中的姿態與軌道控制系統直接相關。

能夠在1年時間內，實現從燃氣舵技術到擺動噴管技術的跨越，值得敬佩！

當然，如果說這些跨越沒有外力協助的話，小火箭是有些不相信的。

從技術同源性的角度去追本溯源，可以發現：

柵格翼技術實際來自蘇聯的SS-20彈道飛彈。

蘇聯SS-20彈道飛彈，是一款射程為5500公裡，能夠攜帶多枚核彈頭的彈道飛彈。該彈的尾部採用了柵格翼。（當然，上面這張圖把飛彈藏在發射筒裡了，詳見下圖吧。）

這就是遍布SS-20彈道飛彈尾部的柵格翼。

遊動發動機技術與蘇聯R-27潛射彈道飛彈有較高的相似性。

而火星-15洲際彈道飛彈的一級發動機本身，小火箭認為與蘇聯RD-250發動機極其相似。

這種單發動機雙推力室的設計，我們還能夠從RD-180發動機上看到。

正在進行吊運操作的一枚美國宇宙神V運載火箭。注意她的芯一級那1臺帶有2個噴管的RD-180火箭發動機上面的俄文。

彈道

在上圖可以看出，從朝鮮的傳統發射基地到關島為3400公裡，到阿拉斯加州最大的城市安克雷奇為5600公裡，到西雅圖為7900公裡，到洛杉磯為9100公裡，到芝加哥為10000公裡，到華盛頓特區為10700公裡。

也就是說，只有當朝鮮的彈道飛彈的射程超過10000公裡，才會對美國全境構成實質性威脅。

那麼，火星-15的能力到了麼？

小火箭從得知火星-15終於試射之後，第一時間啟動了計算中心。

在建模和上千條彈道的反推驗證後，現給出彈道計算結果，以此致敬所有關心小火箭的好友和寒冷的夜晚。

這是我計算的朝鮮火星-15洲際彈道飛彈的彈道包絡（部分）。

通過驗證，火星-15彈道飛彈的最大射程為12801.15公裡。

從射程角度來看，的確已經是名副其實的洲際彈道飛彈。

上圖紫色細線是我用火星-15打了一條打擊美國佛羅裡達州東南角的彈道。

左側包絡的紅色粗線是從朝鮮某基地發射，越過北極打到美國東海岸以東的彈道。

右側包絡的彈道則甚至打到了墨西哥南部。

由此證明，火星-15洲際彈道飛彈的確能夠覆蓋美國全境，此言非虛。

這是小火箭給出的火星-15洲際彈道飛彈的速度曲線（處理後）。

詳細分析後，我們發現：雖然火星-15洲際彈道飛彈的最大射程達到了12801.15公裡，但是在這個射程下，其投擲重量僅為152公斤。

究其原因，在於基於RD-250常溫推進劑火箭發動機的火星-15洲際彈道飛彈的一級推力仍顯不足。

雖然我們從彈道中能夠看到朝鮮工程師在提高火箭發動機比衝方面的努力，但是不足330秒的比衝使其投擲能力大為受限。

在攜帶1噸重的彈頭後，火星-15彈道飛彈的最大射程會銳減為6000公裡以內。從這個角度來看，火星-15目前尚難以對美國本土構成實質性威脅。

今後，朝鮮工程師需要對彈體進行進一步優化，以便使火星-15洲際彈道飛彈真的能夠對美國本土形成打擊力量。

綜合考慮，最有可能打擊的目標為美國西雅圖市，潛在投擲能力為400公斤。

今後就看朝鮮研製核武器的工程師能否將彈頭進一步小型化了。

這是火星-15洲際彈道飛彈首次試射的命令。

不過，火星-15洲際彈道飛彈的改進潛力是巨大的。

發展

如果按彈道飛彈技術發展史來橫向類比的話，如今的朝鮮相當於上世紀50年代的美國，相當於上世紀60年代末的中國。

繼續向前發展的話，朝鮮工程師需要進一步提高火箭發動機的性能，並且逐步掌握大推力火箭發動機的自主研發能力。

在彈道方面，既然朝鮮工程師做了咱們今年年初說到的那兩次高拋彈道的測試，那麼還剩兩項要做：

一個是壓低彈道傾角，至少打一次低伸彈道，同時研究誘餌彈頭技術，以便增強飛彈的突防能力；

另一個是打一次攜帶彈頭的半射程甚至是全射程彈道。

讀過小火箭洲際彈道飛彈系列文章的好友一定還記得大家一起探討過的洲際彈道飛彈作戰效能與打擊精度之間的關係。

在彈載計算機的計算能力不會太強，在尚未掌握雷射陀螺光纖陀螺技術的時候，如何能夠儘量保證洲際彈道飛彈的打擊精度呢？

小火箭認為，可以這樣做：在垂直陀螺儀的外環框架結構上，連接一個加速度計。利用這個加速度計的輸出信號，來直接反饋給制導環節。

這樣，彈載計算機在關鍵的加速度和速度方向，免去了進行空間坐標變換的大量計算負擔。（因為這個加速度計是跟隨陀螺儀外環框架運動的，其信號可以直接積分後拿來使用。）

上述為減輕彈載計算機工作量的方案。

但是，這種方案會給陀螺儀外環框架帶來附近幹擾，大幅增大陀螺儀的偏移率。如果不能有效加以補償的話，會得不償失。

小火箭在這裡給出補償方案：

（圖略）

如果這樣的方案帶來的附近運算，依然使得彈載計算機吃不消的話，還可以這樣做：

給陀螺儀轉子提速，使其有足夠強大的角動量儲備，能夠靠自身的穩定性來抵禦加裝加速度計帶來的額外誤差來源。

風險

同樣作為飛彈與火箭總體設計相關的工程師，我們能夠切身體會到朝鮮工程師對於提高火箭發動機性能的那種渴望。

但是，對於武器型號來說，朝鮮工程師還面臨著一個一開始就要求飛彈能夠車載公路機動的約束。

在對四氧化二氮/偏二甲肼的燃料的探求之路上，高性能是與高風險時刻伴隨的。

在此，提醒朝鮮工程師一定要注意安全。在追求高性能的同時，嚴格遵守工程規範，合理合規操作。

或者反過來說，要謹防火箭燃料生產過程與貯存期間的起火爆炸事故。

好端端的技術，如果僅僅用於戰爭的話，小火箭覺得還是比較可惜的。既然掌握了多級火箭的技術，那麼再努力一下，就可以擁有一款可以進軍國際商業衛星發射市場的火箭了。

小火箭在這裡向朝鮮工程師發出倡議：歡迎朝鮮加入全球太空探索的大家庭。技術應該最終用來造福全人類，用來開拓視野，用來探求新知。

在此，給出小火箭提出的基於火星系列彈道飛彈加上第三級後的運載火箭的方案：

這就是小火箭對朝鮮火星-15洲際彈道飛彈的分析。

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