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奇葩的装备变身(四):洲际导弹改作航天运载火箭

2019-05-29 14:26来源:科普中国-军事科技前沿

  出品:科普中国

  作者:岳江锋

  策划:宋雅娟

  监制:光明网科普事业部

  洲际弹道导弹是一个军事强国战略威慑力量的象征,一般装有核弹头,射程往往在8000千米以上,可在“关键时刻”对敌方战略目标(包括战略指挥中心、人口密集城市等)带来致命打击。但随着美俄(苏)裁减进攻性战略武器条约的实施,双方退役了大量的洲际导弹,其中一部分“化剑为犁”,改作航天运载火箭使用。

奇葩的装备变身(四):洲际导弹改作航天运载火箭

“弹改箭”前后结构对比示意图(以SS-18“撒旦”导弹为例)

  一脉同源的导弹和火箭有啥异同?

  火箭自古便已有之,一开始主要用于军事。中国是火箭的故乡。据《宋史》等古籍记载,在公元970年前后的宋朝初年,我国就发明了具有反作用力因素的古代火箭。但早期的火箭武器,发射出去之后都不能再进行控制。这种被称为火箭弹的无控火箭武器命中精度差,作战效率不高,发挥的威力也极为有限。

  随着战争形势的发展,迫切要求提高武器的命中精度,于是火箭也就装上了控制其飞行轨迹的部件,成为了我们所说的“导弹”。德国是世界上最早研制导弹的国家,这也是火箭向现代化导弹转型的开始。由于早期出现的一些导弹是用火箭来推进的,有人就把它与火箭混为一谈,其实两者在概念上是有着很大差别的。

  导弹主要由战斗部、控制系统、发动机、弹体四部分组成。真正用来作战的是战斗部,基本安排在导弹的最前端,又称为“弹头”。战斗部内装的可以是炸药,也可以是核武器、化学武器或其他装置。弹体、发动机和控制系统可以合称“战斗部的运载器”,是用来把战斗部送向目标的一种可控制的飞行器。

  运载火箭是将各种航天器送向太空的工具,它一般为2~4级,末级有仪器舱,内装制导与控制系统、遥测系统和发射场安全系统。有效载荷装在仪器舱的上面,外面套有整流罩。它每一级都包括箭体结构、 推进系统和飞行控制系统。级与级之间靠级间段连接。 有效载荷装在仪器舱的上面,外面套有整流罩。

  现代运载火箭大多源于弹道导弹

  将洲际弹道导弹改装成运载火箭在世界航天史上并不鲜见,如今各国研制的运载火箭,其早期版本大多由弹道导弹发展而来。1957年10月4日,苏联利用“卫星”号运载火箭成功将世界第一颗人造地球卫星送入太空,使人类进入了航天时代。该火箭就是由苏联第一种洲际弹道导弹R-7改进而来,近地轨道的运载能力达到1.3吨。在完成多次发射任务后,又以该火箭第一级为基础,改进成“东方”号运载火箭,成功将世界上第一位航天员加加林送入太空。

  冷战后期以来,美国和苏联签订了多项削减战略武器条约。为了避免浪费,两国都将大量退役的洲际弹道导弹改装成运载火箭用于发射卫星。如,美国现役的“德尔塔”系列、“宇宙神”系列,俄罗斯的“联盟”系列、“旋风”系列、“天顶”系列等运载火箭最初都是由弹道导弹发展或改装而来。

  通过将退役导弹改装成大型运载火箭来发射航天器,可以大幅节省相关费用。一方面节省了航天发射费用,据悉每次航天发射的成本至少需要几千万美元甚至上亿美元,如果能将即将退役或退役的战略导弹进行“废物利用”,则大大节省了研制火箭的费用;另一方面节省了销毁退役导弹的费用,可谓是“两全其美”。

  导弹改作运载火箭究竟难不难?

  对于那些已经掌握战略导弹技术和运载火箭技术的国家来说,“弹改箭”并不是难题,主要是进行一些适应性改造:如改变导弹的飞行轨迹、更换部分零部件、增加关键部件的备份、调整火箭发动机的工作状态、加装卫星整流罩等。其中,改造整流罩是重点和难点,因为导弹和运载火箭在这方面存在较大差别。

  首先,运载火箭携带的载荷外形不规则,直径通常大于火箭上面级直径,其整流罩结构多为蚌壳式,从中间向两侧开启;而战略导弹为了追求足够的射程和考虑到再入环境的复杂性,其弹头一般设计成锥形,较为规则,流线形较好,尺寸也较小,所以整流罩一般小于弹体。其次,运载火箭携带的载荷无需再入大气层,因此,当运载火箭飞出大气层,其整流罩就会抛掉,而弹道导弹的整流罩通常就是再入弹头的外壳。综上,从控制学原理、气动加热技术和空气动力学方面着手,对整流罩加以改进是一项复杂的工作。

  值得一提的是,弹改箭有一定局限性。战略导弹的运载能力有限,不能满足大型航天器的发射需要,以俄罗斯推力最大的重型洲际导弹SS-18“撒旦”为例,该导弹可以携带10枚核弹头,弹头部分重约6-8吨,射程最远可达1.1万千米,但改为“第聂伯”号火箭后,近地轨道有效载荷为4.5吨,月球转移轨道有效载荷仅为0.55吨,其他型号导弹改火箭后的运载能力或将更小。

  另外,弹改箭还隐含一定的安全问题。由于战略导弹最初是按照武器的标准设计,对导弹发射安全系数的要求相对低于运载火箭,如果处理不好容易导致事故频发。2006年7月,由SS-18导弹改型而来“第聂伯”号火箭从哈萨克斯坦航天发射中心发射,升空仅86秒,第一级火箭助推器发动机紧急关闭,随后火箭爆炸坠毁。

奇葩的装备变身(四):洲际导弹改作航天运载火箭

SS-18“撒旦”洲际弹道导弹资料图 (图片来自网络)

奇葩的装备变身(四):洲际导弹改作航天运载火箭

  “第聂伯”号运载火箭发射(图片来自网络)

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划重点

洲际弹道导弹是一个军事强国战略威慑力量的象征,一般装有核弹头,射程往往在8000千米以上,可在“关键时刻”对敌方战略目标(包括战略指挥中心、人口密集城市等)带来致命打击。但随着美俄(苏)裁减进攻性战略武器条约的实施,双方退役了大量的洲际导弹,其中一部分“化剑为犁”,改作航天运载火箭使用。

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