看上去很美 ——再谈朝鲜新型弹道导弹
文 徐天然
火星-13弹道导弹
2015年10月10日，朝鲜在劳动党阅兵中展出了最新构型的火星‑13（西方称KN‑08）远程弹道导弹。导弹的长度大为缩短，第三级和弹头的变化最大：新火星‑13的第三级体积较之前明显缩小，在蒙皮外布置有4个小推力火箭发动机。弹头形状也从之前的尖锥体变成了一个体积较小的钝头形状。这样的外形酷似苏联的R‑29R型潜射导弹，不禁让人浮想联翩。但R‑29系列导弹是为适应潜艇搭载要求而特别设计的，朝鲜是否有必要把陆基导弹设计成这样，其技术基础又能否实现这种设计，将采用什么规格的发动机，都是值得推敲的问题。
R-29系列潜射导弹的特点
要剖析火星-13，需要对苏联R-29系列潜射导弹有大致的了解。为了与潜艇相匹配，R-29系列潜射导弹有非常独到的总体设计，它将发动机等子系统浸没在推进剂储箱内，可以最大限度地减少弹体长度，并降低结构质量。其中，R-29携带单弹头，R-29R与R-29RM都可携带多弹头。它们的弹头采用倒置的形式，“尖头朝下” 插入第二级火箭的推进剂储箱中。对采用N2O4-UDMH（四氧化二氮、偏二甲肼）推进剂的远程导弹来说，两级火箭构型就足以达到洲际射程。而R-29RM为了得到更高的投掷能力，破天荒地加入了第三子级，其设计更为紧凑别致：多枚核子弹头以倒置方式围绕在第三级火箭发动机喷管周围，与喷管一同插入第二级火箭的推进剂储箱内。R-29系列导弹都采用星光修正作为辅助制导系统。由于弹头采用倒置设计，留出了导弹头部的空间作为设备舱放置光学设备与制导系统。
在头体分离方面，第二级火箭工作完毕后，R-29的头部与弹体分离，再入弹头与设备舱分离，弹头从倒置状态调整至合适角度后进行再入。R-29R是多弹头设计，因此在R-29基础上增加了一个由四个小型火箭发动机组成的上面级（post boost vehicle/RV Bus），这个上面级在第二级火箭工作完毕后点火与弹体分离，并在轨道中不断调整姿态把子弹头释放到各自的再入轨道上。R-29RM的设计更加精妙，它的第三级兼具上面级的功用，蒙皮处的四个小型液体火箭发动机和第三级火箭同时点火，为第三级提供俯仰，偏航，滚转三个通道上的控制。第三级熄火后，主发动机被抛离，四个小发动机继续工作，连续调整第三级姿态，将弹头送入各自轨道。
猎鹰9火箭第一级采用9发并联。
R-29系列洲际导弹结构紧凑，设计巧妙，代表了苏联液体推进剂潜射导弹的最高水准。朝鲜的火星-13模型在弹头线条上酷似R-29R型导弹，尤其是第三级蒙皮上四个小型火箭发动机和R-29R上面级的布置如出一辙。难道朝鲜的火星-13偷师于R-29系列吗？笔者认为，朝鲜或许在重新设计火星-13时借鉴了一些R-29的元素，但不会照单全收R-29的设计。
首先，朝鲜连最简单的远程导弹弹头再入都没有验证过。R-29系列弹头倒置，飞行中大幅调整姿态释放弹头的设计对朝鲜来说显得过于冒进，更不要提多弹头设计。另外，浸没发动机，倒置的“浸没”战斗部都是为了把导弹塞进狭小的潜艇里而设计的，这些技术大大增加了导弹的复杂性和成本。陆基导弹没必要采用这些技术，对弹道导弹工业实力有限的国家而言更是如此。另外，没有理由认为朝鲜也掌握星光制导这样只有极少数大国拥有的弹道修正技术，火星-13的弹头顶部内应该不是相关的光学设备。综上，笔者认为，火星-13模型圆钝头的前部，或许是一个小型弹头，外形类似美国早期洲际导弹的MK2再入弹头，呈碟状，弹头的后部部分插入第三级/上面级的舱段内。另一种可能是，模型头部与实际状态仍存在较大出入。
火箭上面级虽然听起来时髦，但技术上并不困难，除了继续提供一定推力外，对火箭的弹道修正，布置诱饵等都有好处。新火星-13的第三级较之前缩小很多，可能更偏向于上面级的功能。
宇宙I火箭的第一级发动机RD214（左）和第二级发动机RD119（右）。RD214是一种4推力室，“飞毛腿科技”的发动机，海平面比冲仅为225秒，与火星-7发动机相当。RD119则是一台推力约10吨，真空比冲高达352秒的液氧，UDMH发动机。火箭近地轨道运载能力达到了600千克，高过了起飞推力120吨的三级银河-3运载火箭。图中可见RD119发动机燃烧室很小，但喷管扩张比非常大，帮助其获得了很高的真空比冲。
决定发动机级别的因素
从推进剂上看，有一定陆地机动能力，可户外发射的火星-13不太可能采用R-29系列使用N2O4作为氧化剂，因为其熔沸点过低，不能满足军用户外操作的要求。而硝酸与UDMH推进剂组合能量低于N2O4-UDMH，但满足户外发射条件，是户外发射导弹的成熟选择。推力级别各异的硝酸-UDMH推进剂发动机可通过不同组合方式构成火星-13的动力配置，把至少500至700千克重的战斗部投掷到美国本土。
但受制于技术与工业水平，第三世界国家往往徘徊在“飞毛腿科技”水平附近，少有能够突破更高比冲推进剂的10至15吨级（飞毛腿导弹9D21发动机推力约13.5吨）的液体火箭发动机技术。这道门槛是它们发展更高效导弹系统的最大障碍。伊拉克曾试图在“飞毛腿”的9D21发动机基础上将煤油替换为UDMH，还试验加长喷管以增大喷管扩张比，获得更高的二级火箭比冲。但这些尝试都因不具备技术与实验条件而失败。朝鲜是第三世界中技术较强的火箭发展国，但除了在1.5吨推力发动机上实现了高比冲推进剂的运用外，仍在依靠“飞毛腿技术”。其火星-7（西方称芦洞-1）发动机推力达到了27吨，是第三世界中少有的成就，但比冲较低。考虑到第三世界普遍面临的技术瓶颈，在远程导弹研制方面是否存在更为简单，更切合朝鲜工业水平的技术取向呢？
考虑这个问题时，还应注意到，突出火箭发动机的通用性，力争新发动机可满足多个甚至所有型号的需要。这是控制研发成本，提高项目效费比的重要途径。因此在推测火星-13的动力构成时，需要把朝鲜全系列火箭考虑在内。根据商业与军用卫星图像，朝鲜或正在研制一种直径约3米，长度或达40米的大型火箭（目前军用图像尚未公开，外界不知道这个40米长火箭模型的具体样子）。与之呼应的是在2013年，与美国情报界关系紧密的《华盛顿自由灯塔》称朝鲜正在研制“80吨级推力火箭发动机”，并将用做“超级洲际导弹”的动力，伊朗也在当年数次派技术人员赴朝交流。除去大型火箭项目外，朝鲜还在进行北极星-1潜射导弹的研制，也可能用到新发动机。最后，如果新发动机能够装进“飞毛腿”尺寸的弹体内，将极大提高朝鲜短程导弹的投掷能力。
综上，在动力规格的选择上，火箭工程师会在考虑本国工业基础，发动机的研制难度，费用和使用通用性的基础上，做出最切合本国国情的选择与妥协。在众多方案中，最简单的可能是以“飞毛腿”推力级别为突破口，研制一款较高比冲的小型发动机。在这里姑且称其为“低技术方案”。
低技术方案
如上所述，“飞毛腿”推力级别发动机是一些低技术国家研制高比冲发动机的着力点。假设朝鲜也选择这种相对安全的路线，研制出一款性能较好的10至15吨推力，硝酸-UDMH推进剂发动机。那么两米直径的火星-13第一级足够布置多个并联发动机/推力室，比如5个15吨推力室提供75吨的总推力。每个推力室的尺寸和流量比单个大推力室发动机小，降低了设计和实验的难度，还能减少发动机的总长度。而火星-13第二级若采用加长喷管，大喷管扩张比的同型发动机，能提供更大的推力和更高的比冲，可以满足火星-13第二级的动力要求。
和20吨级4机并联或30至40吨级双机/推力室并联组成火星13一级动力的方案相比，研制“飞毛腿”推力级别发动机除了技术难度低外，还有适用性广的优点：此规格的发动机可以替代现有“飞毛腿”发动机，在保持“飞毛腿”可在掩体内以加注与注满推进剂情况下短途运输的优点的同时，大幅提高朝鲜近程导弹的性能。理想情况下，导弹将有750公里射程/750千克战斗部，或1000公里射程/500千克战斗部的投掷能力或潜力。这样的指标是朝鲜现役“飞毛腿”导弹投掷能力的两倍，可以涵盖周边国家的很多重要目标。如果改用重量轻的铝合金弹体，其投掷能力甚至接近了尺寸大很多的火星-7导弹。载荷的增加，可以使弹头携带更多诱饵甚至弹道修正机构，提高弹头的突防能力，也对核弹小型化放宽了要求。近中程或中程导弹方面，一般认为北极星-1和外形相仿的火星-10（舞水端）导弹都有1.5米直径，足够安装至少2个这样的发动机和游动发动机，提供强劲的动力。
在只研制一型“飞毛腿”推力级别发动机的情况下，需要结合现有的低技术发动机，用另类的设计才能构成所谓的“超级洲际导弹”（我们并不知道美国报道中的“超级”是指尺寸大还是投掷能力强）。如果朝鲜大型火箭的直径的确有3米，其第一级将有足够的空间容纳9个27吨推力的火星-7发动机推力室。超过6推力室/发动机并联的方案虽然比较少见，但在单发推力小和有严格成本要求的火箭上确有应用。比如英国“黑箭”火箭第一级就采用了2组泵压系统的8推力室并联，美国猎鹰9火箭第一级则是9发并联设计。如果新研制泵压输送系统，3个火星7推力室一组可形成一个总推力81吨的发动机，和《华盛顿自由灯塔》报道的“80吨级新型发动机”推力相符。3个81吨推力发动机并联后总推力高达243吨。
UDMH发动机并联组成第二级发动机。这样的“低技术超级洲际导弹”投掷能力将处于全球同类火箭垫底的水平，但仍可能把一个1吨以上的载荷投掷到一万千米外。如果增加第三级，可形成长约40米的运载火箭，符合军用卫星图像的描述。
用比冲很低的第一级火箭把火箭二子级送出大气层，利用第二级火箭较高的发动机比冲和真空环境为载荷提供大部分的末端速度，这样的设计并不罕见。典型的有苏联宇宙I运载火箭，其第一级采用总推力约63吨的硝酸煤油发动机，海平面比冲约225秒，与火星-7发动机相当，第二级则采用一台推力10吨，真空比冲高达352秒的液氧UDMH发动机。火箭近地轨道运载能力达到了600千克，超过起飞推力120吨的银河-3三级运载火箭。
综上，利用现有火星-7发动机时，朝鲜只需完成伊拉克的“未竟事业”，研制出一款“飞毛腿”推力级别的小型高比冲发动机，就可满足从近程到洲际全系导弹的动力需求。为并联3个火星7推力室而研制大流量泵压输送系统也是一个挑战，但相比单推力室大推力发动机的研制还是容易许多。
以上对朝鲜新型火箭的推测可以说“看起来很美”。但目前，火星-13、火星-10都没进行过试飞，媒体报道中的大型火箭/重型洲际导弹也尚未露面。因此它们只是纯粹的战略欺骗的可能仍不能被排除，而在东仓里进行了约3年试车的两米直径火箭也可能是银河-3的新型二级火箭。毕竟提高银河-3二级火箭性能是朝鲜增强远程火箭投掷能力最简单的出路。平壤的火箭项目是全世界最神秘的军事/航天项目之一，值得持续观察与探讨。