朝鮮“北極星”系列導彈 (3)

尹瑞濤

“北極星”3導彈的結構

“北極星”3導彈的尖端是一個彈頭部件（再入載具），可以攜帶約600千克高能炸藥或核武器。雖然朝鮮宣布已開發出一種小型輕量核武器，但在技術層面還存在許多疑問。

導彈戰斗部后面是制導部分，內置慣性導航系統、自動控制系統等。之后為第二級，即一臺使用復合推進劑的火箭發動機，直徑1.5米，推進劑中添加了鋁粉末。將第一級和第二級連接起來的是稱為級間段（中間級）的結構。

第一級的結構與第二級基本相同，但是總長度較長。最后一部分配備有一個保護罩，用于保護推力偏轉器、噴嘴等免受用于將導彈從水中彈射出的高壓氣體的傷害。飛行控制由安裝在后端的4個推力偏轉器執行。

從“北極星”3的點火鏡頭分析，該型導彈并未沿用蘇聯R-27/4K10型潛射彈道導彈的“主發動機+小型游機”設計，更沒有安裝“舞水端”導彈的尾部大型格柵式尾翼，而大概率采取了在“火星”15洲際彈道導彈上已經得到充分驗證的火箭發動機主噴管柔性擺動技術。

柔性噴管是大型固體火箭發動機的關鍵部件之一，它是發動機能量轉換及實現推力方向控制的裝置。柔性噴管是一種借助柔性接頭實施噴管擺動，達到推力方向控制目的的擺動噴管。

朝鮮“火星”15洲際彈道導彈的發動機

德國學者推測的朝鮮“ 北極星”系列導彈的尺寸

“火星”15洲際彈道導彈發動機的兩個搖擺噴管，直徑約76厘米

“北極星”3導彈的尾部

固體火箭發動機噴管的擺動機構主要由噴管固定體、柔性接頭及噴管擴張段組成。噴管固定體主要材料為高強度結構鋼、高強高延伸率鋁合金或鈦合金，它承受的主要載荷是發動機燃燒室壓力。柔性接頭是噴管實現擺動的裝置，它由多層同心球面的彈性件（ 橡膠） 及增強件（ 鋼或復合材料） 粘接而成。在發動機工作過程中，噴管通過擺動來實現推力方向控制。噴管柔性擺動技術具有如下優勢：

（1）控制效率高;

（2）推力損失小;

（3）采用一個全向擺動噴管可以實現俯仰、偏航的控制;

（4）控制機構能源需求低，重量輕。

“北極星”3導彈的發射過程

從相關圖片來看，“北極星”3導彈由水下發射裝置彈射出發射管，導彈垂直出水，然后助推火箭點火將其推進天空。

韓國首爾遠東研究所（Seoul's Institute for FarEastern Studies）分析師金東宇（Kim Dong yub）認為，朝鮮此次試驗使用了“冷發射”技術，用高壓氣體將導彈從水下發射筒射出水面，是一次成功的海上發射。試驗圖像顯示，在導彈尾部形成了近乎白熾的完整白色尾焰，并顯著擴大，最終留下一道淺灰色煙霧。此次試驗所產生的尾焰非常符合固體火箭發動機的尾焰特征。潛射彈道導彈的潛射深度，一般對外宣布是在距離水面25米到50米之間。五大國的正常發射深度都在30米到35米之間。發射水深超過50米，燃氣彈射力不足以克服水的阻力，會導致導彈無法彈離水面再點火，甚至導彈會直接在水面上橫飄起來。若彈射深度小于25米，又會導致發射艇非常接近水面，當即出水暴露，而彈射出水的導彈姿態也不穩定，如果點火失敗，會再次掉入水中，砸到發射艇本身。從10月2日“北極星”3導彈試射出水激起的水花來看，“北極星”3大約是從水下5米左右的深度發射的。

在朝鮮公布的發射現場照片中，有一張圖片中顯示了導彈發射地點附近有一艘船舶，金東宇說：“鑒于朝鮮公布的照片中，一艘拉駁船的船只正在發射點旁邊等待發射，導彈很可能是從一個放置在漂浮駁船上的發射器上發射的。”這艘船被用來拖曳一艘頂部裝有發射臺的潛水駁船（submersiblebarge）。這種發射方式是蘇聯開發并首先在20世紀60年代使用的。朝鮮的工程師們可能認為，將他們的一艘作戰彈道導彈潛艇投入試驗風險太大。在新的潛射彈道導彈的研制過程的初始飛行試驗中，使用潛水駁船進行首次發動機燃燒試驗的做法是正常的，它可以在不危及潛艇的情況下對發動機進行試驗，因為它消除了在發射過程中發生故障時損壞昂貴的載人潛艇的風險。2014年之后，朝鮮至少利用新浦的駁船進行了4次“北極星”潛射導彈的發射試驗。駁船均長22.5米，寬9米。“北極星”1也是先從水下駁船上發射，然后才從真正的潛艇上發射。

美國有線電視新聞網援引美國官員的話報道說，當天發射的“北極星”3不是從潛艇發射的。另一名消息人士說：“也有可能是從海上駁船的水下發射裝置上發射，檢驗了潛射導彈的‘冷發射技術。”2016年8月發射的“北極星”1潛射導彈曾在“新浦”級潛艇上以“冷發射”方式發射。

“北極星”3在水下試驗駁船上從發射管中彈出后從水中升起。注意紅圈中的船舶

一枚涂有黑白兩色油漆的導彈彈出水面，然后助推火箭點火將其推進天 空

蘇聯用于試射潛射導彈的可下潛試驗浮臺示意圖

“北極星”3導彈發射全過程

關于“冷發射”

“北極星”3導彈此次發射采用了“冷發射”方式。當接收到發射命令時，發射器達到預定的深度，并且在確認導彈功能后，高壓氣體壓力達到發射要求時，發射筒蓋打開，然后導彈瞬間就被高壓燃氣彈射至水面約20米高度，穿過海面的導彈主發動機點火，并在扔掉保護罩后開始自主飛行。

潛射導彈的發射技術可分為“冷發射”和“熱發射”兩種。“熱發射”是靠導彈的自身動力實現點火發射，即導彈在水下點火后，通過自身的推力射出水面，最大的技術難點是助推器在水中的點火技術。由于水的密度是空氣密度的800倍，水下發射環境和陸上發射是天壤之別，如果點火失敗，或者助推裝置及其輔助系統設計不當，很容易引起高背壓、水壓和氣壓相互干擾，導彈出水后載荷失調等各種問題，最終導致發射失敗。

“冷發射”是導彈飛離發射裝置之前不點燃導彈發動機的一種發射方式，又稱外推力發射。一般是使用以壓縮空氣、壓縮蒸汽或助推劑燃氣為動力的助推系統，通過氣體的推動力將導彈發射到一定高度后才啟動火箭發動機完成發射。“冷發射”的導彈在發射時由彈射裝置或其它方式使它加速運動，直至離開發射裝置，等到導彈出水之后再開啟發動機完成接下來的飛行。

“冷發射”主要是在發射筒的底部安裝可以產生高壓燃氣的燃氣發生器。整個“冷發射”系統通常由燃燒室殼體、內絕熱層、固體推進劑藥柱、點火系統和排氣裝置等組成。根據用途不同和工作時間長短以及單位時間產生燃氣量的多少，可選用較低燃溫的緩燃或富燃推進劑制造成具有一定尺寸的幾何形狀藥柱。排氣裝置可以是管道、燃氣噴注器、一個或多個噴嘴。作用在導彈底部的彈射推力對導彈的作用時間很短，但推力很大，可使導彈獲得很大的加速度。

蘇聯的R-27潛射彈道導彈

“冷發射”在技術層面要簡單一些，還可以省去為了承受發動機的高溫而在發射筒里加裝的防護層。有效降低了發射重量，有利于導彈的小型化，對增大射程具有重要意義。“冷發射”優點：一是低溫發射不會燒蝕發射系統，不會破壞發射系統結構，對于潛艇發射管要求低，不需要考慮火箭發動機產生高溫高壓燃氣對潛艇的影響;二是由于不需要“熱發射”那樣專門的排氣通道，發射系統體積較小，可在有限空間內最大限度地裝載導彈。導彈運動狀態比較單一，導彈出水動力由水下發射器或潛艇提供，不需要消耗火箭發動機的推進劑;第三，與“熱發射”相比，“冷發射”這種技術能很好地隱藏發射陣地。同樣，“冷發射”也有缺點，由于必須依靠導彈外力助發，因此發射系統結構相當復雜，可靠性相比于“熱發射”要差一點，特別是對導彈火箭發動機點火控制裝置技術、導彈姿態控制技術和火箭發動機的可靠性要求非常高，要求導彈出水之后能夠迅速點火起飛，否則就會造成導彈落水甚至砸傷發射潛艇。

“北極星”3導彈的外形分析

從目前披露的“北極星”3的彈體外形與技術數據來看，其性能一點也不弱，部分性能甚至已經超過了蘇聯的R-27/4K10，有了與“巨浪”2型潛射彈道導彈比肩的資本。與2015年首次公開試射的“北極星”1和2017年首次試射的“北極星”2相比，“北極星”3外形的最大不同就在于它頭部整流罩的氣動設計。

“北極星”1潛射彈道導彈的彈頭整流罩采用的是帶巨大穩定裙的尖錐體設計，其能夠有效降低在大氣層內飛行時的阻力。這也是早期潛射彈道導彈常用的設計，比如美國的“北極星”A1和蘇聯的R-27潛射彈道導彈以及我國的“巨浪”1導彈。

從目前披露的“北極星”3導彈的照片來看，該型導彈一改“北極星”1導彈使用的帶穩定裙的圓錐體彈頭設計，而采用了與美軍“三叉戟”IID5以及法軍的M51相同的卵圓形鈍頭設計。這種設計與圓錐體彈頭相比，水下流場性能好，但是大氣層內飛行阻力較大。

軍事專家分析稱，“北極星”3導彈去除了前兩代的設計弊端，飛行穩定性得到提高，進而在潛射導彈領域展示了飛躍性突破，如將“北極星”1導彈的尖彈頭改為鈍圓形，將彈身改為呈緩弧形，減少了水下阻力等等。

其次，彈體高清圖的細節還顯示，“北極星”3在彈體頭部兩側增加了氣泡生成孔，用于在水下生成包裹彈體的氣泡，隔絕彈體與海水接觸，有助于降低導彈的水下阻力。這個設計在其他國家的潛地導彈中也能看到。

水中主動空泡技術原理類似于“超空泡”現象，導彈上帶有空泡發生器，可以產生大量空泡包裹住彈體，這時彈體表面接觸的介質就會從海水變成氣體，大大減少了彈體摩擦阻力。水中主動空泡技術常見于法國和俄羅斯的潛射彈道導彈，因為法、俄兩國導彈慣常使用水下點火技術，導彈在水下點火后，需要靠自身的火箭發動機沖出水面，而海水阻力又遠遠大于空氣，這極大地消耗了導彈燃料，影響了最大射程，所以需要主動空泡技術來減小水中阻力。

水下發射彈道導彈是一項難度非常高的技術，攻克這個技術表明朝鮮潛艇能夠從水下發射彈道導彈，提高了導彈攻擊能力和生存能力。

潛射導彈的水下發射都要經歷水下飛行段、出水段和空中段3個階段，其中水下飛行段和出水段是潛射導彈發射所獨有的過程，也是潛射導彈發射成敗的關鍵。水下發射導彈最難的地方就是要考慮導彈在水下和空氣兩種介質飛行狀態，潛射導彈必須滿足在水中和空氣中都適用。導彈從水里發射進入到空氣當中，在兩種不同的介質中都要保持工作穩定。這個步驟時間最短，尤其是突破水面的時候，是以秒來計算的，卻是潛射導彈發射成敗的關鍵。如果采用尖彈頭作為彈頭形狀，其后部需安裝一個寬大的截錐體以穩定導彈在水中的姿態，而這不僅增加了潛射導彈的長度，還會導致導彈從水中進入空氣時，由于阻力的急劇減小，造成導彈的姿態紊亂，進而導致發射失敗。全世界很多國家的早期潛射導彈大多數也都是采用尖頭設計，例如我國的“巨浪”1、美國的“北極星”A1、俄羅斯R-27等等，但是發射成功率其實并不高。

“北極星”3導彈頭部側面的開孔

“主動空泡技術”圖解

“三叉戟”導彈的減阻桿

法國 M51潛射導彈減阻桿原理示意圖

美軍潛射彈道導彈從“北極星”A1到“三叉戟”II D5的外形變化，從錐體逐漸變為鈍頭型

所以，為了保證在水中的穩定性，隨著潛射技術研究的逐漸深入，潛射導彈的彈頭都改為了鈍形，和普通的洲際導彈有所不同。美國人在發展潛射彈道導彈的過程中，逐漸的從使用錐體頭部設計的“北極星”A1和A2（美國早期潛射彈道導彈也叫“北極星”）改進到了使用卵形鈍頭的“三叉戟”系列。另外，俄羅斯的“布拉瓦”、我國的“巨浪”2、法國的M51等潛射導彈也采用了鈍頭體外形。鈍頭之所以適用于水下，還有“空泡效應”的作用。由于該形狀彈頭頂部表面積較大，因此在推進過程中可以打開較大的水域，彈體就可以在彈頭撐開的空腔中向前移動。如果在彈頭上增加氣泡發生器，基本上就與在空氣中前行沒有區別了，這樣能最大程度的減少水中阻力。另外，采用鈍形彈頭還可提高內部空間，配備更多分導式彈頭，以提高導彈突防能力和攻擊能力。

一般的陸基導彈、空基導彈等只需要考慮空氣阻力。為減小空氣阻力，導彈多采用細長彈體和頭部尖銳的圓錐彈頭或者弧形設計。但是這種彈體不利于在水中飛行，導彈出水的時候也會產生較多空泡。導彈出水瞬間，這些空泡會迅速潰滅，從而在彈頭和彈體上面產生較大載荷，損壞導彈結構。而海水中要穩定地出水，最好是鈍頭，而且最好可以自己產生氣泡減少水的阻力，保持穩定出水姿態。不過卵形鈍頭設計彈頭的缺點也非常明顯，當潛射導彈出水后在大氣層內高速飛行時，鈍頭空氣阻力大，嚴重降低導彈的速度和射程，空氣中飛行又需要阻力最小的弧形頭。現在大國之間有兩種辦法解決這種矛盾。一種是美國的鈍頭“三叉戟”和法國的M51出水后彈出減阻桿。

導彈或者運載火箭在空中飛行會遇到巨大空氣阻力，發動機能量很大一部分被用在克服空氣阻力上面。航天器頭部阻力主要來源于頭部附近弓形激波，導彈或者火箭越快，這個區域壓力和溫度越高，阻力也會急劇增加。一般認為導彈為了克服弓形激波，至少要消耗發動機推力的四分之一，可以說損耗非常大。減阻桿就是為了克服弓形激波，它的原理非常簡單，那就是刺破弓形激波，將它變成斜激波，后者壓力和阻力遠小于弓形激波。這樣就相當于增加了發動機推力，提高了導彈射程。

美國“三叉戟”IC4首次在潛地導彈上采用可伸縮式減阻桿，平時收縮在整流罩內，當導彈出水發動機點火4秒后，減阻桿再伸出整流罩，刺破空氣。根據相關資料，減阻桿減阻效果可以達到30%以上。

除了使用減阻桿，還可以采用雙頭罩設計來解決導彈在水中和大氣中運動矛盾的問題，就是在導彈錐體整流罩外部再加一個鈍頭整流罩。在導彈躍出水面進入大氣層后拋掉鈍頭形外罩，導彈露出錐體整流罩后，再在大氣中飛行。印度的K15潛射導彈就是采用了這種設計。應對海水阻力最理想的整流罩造型是鈍頭形，鈍頭形整流罩在水下阻力小，而飛出水面后，阻力大增。尖錐形整流罩則與之相反，因此應對大氣阻力最理想的整流罩造型是尖錐形。采用雙頭罩設計的目的正是為了將兩者取長補短，優勢互補，同時擁有在水下和空中的最佳外形。外部水下整流罩在水下用來調整出水姿態，當導彈在水中飛行的時候減少水泡產生，改變彈體表面壓力分布，減小對導彈運動姿態的影響，內罩為導彈在大氣層飛行時提高氣動效果。雙頭罩能夠較好兼顧水下和空中的運動性能，這種設計能夠有效提升水下運動的流體性能，同時減少導彈空氣阻力，保證導彈大氣飛行性能，增大導彈射程。但是缺點是增加了發射過程的復雜性，主要是多了一個低空拋罩的步驟，同時鈍頭整流罩及拋離結構會增加導彈長度和重量，也讓導彈內部結構更加復雜，反而會降低導彈可靠性。

此次“北極星”3導彈試射最引人注目的地方就是導彈直接出水，不需要采用保護罩，從而有效降低了導彈長度和重量。朝鮮作為一個經濟技術欠發達國家能夠取得這樣成熟的技術的確讓人刮目相看。

21世紀軍事研究所專門研究委員柳成燁（音）認為，朝方此次發射的導彈，已經接近于當代新型潛射彈道導彈的水平。韓國國防安全論壇（KODEF）專門研究委員申宗（音）認為，這暗示著朝鮮也將繼續開發搭載多彈頭的潛射導彈。

“北極星”3導彈的外形細節，可見頭部采用了鈍頭整流罩

印度K15導彈在拋掉導彈外罩

從朝鮮官媒公布的試射照片可以看出，“北極星”3導彈外形與美國“三叉戟”II D5潛射彈道導彈非常相似，都采用了半球形頭部，顯然朝鮮技術人員是走了美國人的“三叉戟”鈍頭型的設計，這種設計的好處是適合導彈在水下運動和減阻，并且有助于減少導彈的長度以及增加頭部的空間。雖然有不少好處，但其阻力比圓錐形或尖拱型頭部的更大，從朝中社發布的發動機點火后的飛行圖來看，朝鮮此次發射的“北極星”3導彈鈍頭整流罩錐角還是比較大，似乎可以推測“北極星”3導彈應該沒有采用減阻桿，而是加大整流罩錐角來減少阻力，當然產生的問題就是空泡抑制效果減少，導彈出水受到的載荷增加。可能他們更看重導彈的水下運動減阻和出水穩定，至于射程和大氣飛行性能則被放在了次要位置。

值得一提的是，“北極星”3導彈首次試射就選擇了水下發射，而不是像一些軍事大國或強國常用的路線——先進行多次陸地和水面試射，逐步轉到水下測試。朝鮮首次試射就選擇水下可能有兩個原因：一是對自身潛射彈道導彈水下發射技術比較自信;二是減少試射的次數和時間，節約經費，盡快使導彈具備實戰能力。從整體氣動布局來看，朝鮮“北極星”3導彈緊跟世界潮流，也表明朝鮮在短短幾年在潛射彈道導彈方面取得了不少的進步。

“北極星”3導彈的飛行能力

關于速度，估計“北極星”3的最大速度約為10馬赫。這主要是因為根據現有的資料可知，朝鮮以前測試的“北極星”2導彈與“北極星”3有著相似的設計，據說它的最大速度為10馬赫。然而，由于朝鮮具備持續促進發動機發展的潛力，不能排除導彈有更高的速度，估計潛在最大速度大約為12馬赫。