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                    《兵器知識》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    以普及兵器科技知識,提高中國全民國防觀念,為實現國防現代化,特別是武器現代化服務為辦刊宗旨,面向中國廣大青少年軍事愛好者,廣泛宣傳兵器科技知識,大力普及軍事高新技術,介紹世界軍事科研生產情況,展示各國武器裝備風貌,宣傳中國兵器工業發展道路和成就。

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                    【重裝上陣】彈道導彈抗核加固技術

                    2014-06-18 21:47:45

                    【重裝上陣】彈道導彈抗核加固技術

                        /丁文東 王繼新


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                    選擇同類型武器對抗是武器發展與使用的基本原則,因此以核制核也是對抗核武器的制勝法寶。從冷戰到現在,美國和蘇聯(俄)無不如此,在核爆環境下成功實現導彈突防成為導彈設計者必須解決的難題。彈道導彈在作戰飛行中,可能面臨嚴峻的大氣層內或大氣層外核爆炸環境,這對彈道導彈彈體和彈頭的性能和生存帶來巨大挑戰,因此,外軍十分重視彈道導彈的抗核加固設計和改進。設計者必須在盡可能小的有效載荷和盡可能堅固的防護措施之間取舍平衡,這就是方興未艾的導彈抗核加固技術。

                     

                     

                    惡魔之間的對抗——彈道導彈核爆環境分析

                     

                    利用核武器爆炸阻滯核導彈是未來戰場上很可能面臨的情況。核武器爆炸會產生空氣沖擊波、核輻射、電磁脈沖和灰塵,彈道導彈在飛行全程都可能遭遇核爆環境,只是面臨的核爆效應和生成物有所不同。其中核輻射、電磁脈沖效應和碎片在大氣層內和大氣層外都可能存在,空氣沖擊波、灰塵等只有大氣層內會產生。核爆中的輻射主要表現為X射線、γ射線、中子輻射。上述效應與生成物就如一個個武林高手,都可能對導彈的準確打擊和生存造成影響。

                    “無影手”之X 射線效應核爆炸能量有很大一部分轉化為了X射線,它就像武俠小說中的“無影手”,殺人于無形。這些射線在大氣層內通過加熱空氣,產生了我們看到的火球。而在太空中沒有空氣等介質,它只能表現為輻射能,也就沒有火球擴散。太空中核爆炸的X光閃耀非常短,雖然能量相對低,但輻射的瞬間能量非常大。通常,1千噸當量核爆可以釋放1萬億卡能量,在真空中,大約85%的核當量以X光形式釋放。能量較低的(以10 千電子伏特為界)X光被稱為軟X光,其能量主要沉積在彈頭殼體表面,形成高溫高壓,既產生燒蝕作用,又產生可傳導到彈頭內部的熱量。能量較高的被稱為硬X光,其穿透能力比較強。硬X光大部分侵入彈頭,會造成核裝藥“失效”和內部沖擊。這種輻射可對導彈材料和結構兩個方面產生影響。

                    ——材料破壞。X射線在導彈結構中的自由程很短,大量能量瞬間沉積在殼體表面的薄層內,在材料表面形成由外到內的溫度和壓力變化,由于內外膨脹大小不一樣,導致絕熱層膨脹,形成向內傳播的壓力波。在大氣層外由于外邊是真空,迎光面外壓為零,迎光面附近的材料會因絕熱膨脹作用而迅速向真空噴濺,在材料內又形成一個緊隨壓力波之后的稀疏波。當彈頭轉到背光面時,高壓迅速降低,形成反射稀疏波。它與來自迎光面的稀疏波相互作用,使材料受到拉伸。當拉伸作用力超過材料動態斷裂強度時,材料會分層裂開,最終使材料發生層裂破壞,這就像我們在轉爐上用烈火烤鴨時,表皮會迅速爆裂一樣。這種爆裂可能使外殼爆炸脫離再入載具,還將延伸到彈頭內部,對其結構造成損害。X射線對導彈推進系統的破壞來自X射線進入燃料室和發動機內部后的加熱以及隨之而產生的膨脹等。如果X射線劑量很大的話,結構的表面材料會受到X射線的照射而汽化,從而破壞結構。

                    其實兩種X射線的破壞就像電烤箱和微波爐的區別,一種是通過外部加熱,將熱量傳導到內部;另一種是里外同時加熱。這一過程時間非常短,只有微秒量級,可以瞬間將高速飛行的導彈破壞。

                    ——結構破壞。在發生材料破壞的過程中,殼體表面會發生汽化和噴濺,形成向殼體內部的擠壓和振動力,會引起彈頭結構整體的反復變形和破壞。對于固體火箭發動機來說,X射線還可能引起固體推進劑的化學變化,甚至可能導致推進劑的過早點火。這種響應時間也非常短,大約為毫秒量級,這將使導彈所有發動機都點燃,成為一捆四面噴火的“二踢腳”。

                    X光輻射的影響取決于彈頭結構強度,輻射強度在每平方厘米3卡左右時就會對彈頭造成影響,輻射強度達到每平方厘米6卡時,就可能燃燒。雖然可以加固導彈和彈頭來抗御X光輻射,但會使核彈頭變重,大幅減少其射程。通常,加固到每平方厘米抗輻射強度100卡的彈頭,就超過了初級導彈與核國家的能力,其射程就無法對外構成威脅了。1千噸當量核爆在攔截普通彈頭時的作用范圍超過1.5千米,對“完全加固的”彈頭攔截范圍縮小到250米。

                     

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                    ■在復雜環境下再入大氣層的和平衛士分導式多彈頭想象圖

                     

                     “化骨綿掌”之中子效應核爆產生的中子效應也會對核彈頭產生較大影響,特別是專門為生成中子效應而設計的核彈頭。眾所周知,核武器爆炸需要裂變連鎖反應,中子可以激發__這種連鎖反應。核爆中的中子閃耀很密集,能引起核武器的鈾或钚發生裂變。雖然這種裂變反應不至于導致核爆,但這些核反應將釋放出足夠的能量,加熱精確制造的核武器裝置的零部件,導致核爆當量降低,甚至無法正常起爆。因為如果溫度上升的足夠高,彈芯中的鈾或钚材料強度會很快降低,體積同時會變大,從而破壞核材料部件的固定件,使其松動甚至脫離。再入載具的內部離心力還可能加速這種材料變形,最終導致其無法引爆。對于1千噸當量的核爆炸,常規裂變裝置的中子致命范圍可能是200米。

                    “六脈神劍”之核電磁脈沖核爆產生的電磁脈沖可對彈上電子設備造成破壞。大氣層內核電磁脈沖只在幾千米內起作用,這一距離與其它核爆效應相比可以不考慮。而在高空(40 千米)其強度高、范圍廣,可以達到幾十到幾千千米,這一范圍內其它效應影響較小,因此其危害相對較大。核電磁脈沖影響時間很短,通常只有幾百納秒。

                    此外,核爆產生的灰塵和碎片都可能在發射區或再入區對導彈彈體或彈頭造成影響。核爆灰塵可能增加彈頭的燒蝕,這就好像堅固的鐵釬在沙土中插入會使其表面磨損、磨光一樣。而彈頭再入是在10余倍音速的高溫環境下進行的,這種磨損相當于數千次的插入,鐵棒也能磨成針。發射過程中灰塵可能影響到導彈的電氣系統性能。例如,美國“民兵”3導彈在試驗中失敗過八次,其中三次是由于制導控制系統微型電路中的“微粒玷污”引起的。

                    針對以上核爆環境的影響,外軍在彈道導彈設計與改進中采取了不同措施,有效保證了導彈性能。

                     

                     

                    重裝上陣——彈道導彈抗核加固技術措施

                     

                    “鐵布衫”——彈體結構加固外軍為抗御核爆效應與生成物對導彈彈體的影響,主要采用了局部加固設計。一方面需要增強導彈對核爆炸產生的灰塵和碎片的防護能力,另一方面也是為了屏蔽電磁脈沖和X射線。例如,美國在“民兵”2導彈上嘗試了部分抗核加固技術,在“民兵”3導彈設計中則全面采用了這些技術。為使推進劑系統不致遭到X射線的破壞,“民兵”3導彈主要采用了屏蔽方法,也就是用一層能吸收X射線的材料(高原子量)將組件屏蔽起來。目前可能采用的屏蔽層就是把一薄層高原子量材料(碳化鉭)噴涂在一層多孔的復合材料上,前者用來減小進入結構的X射線通量,后者用來衰減脈沖載荷,即用作應力衰減層。此外,美國還在多個部件上采用了局部加固的措施:一是對第一、二級級間段的鋁合金蒙皮加厚,以增加抗X射線輻射能力;二是在比較敏感的部位(如推力終止機構等)增設了一個鈦合金或鋁合金的屏蔽層(保護斜板),提高其結構強度和抗X射線能力;三是把原先采用鋁合金的頭部整流罩結構更換為鈦合金結構,提高其抗沖擊波和粒子云燒蝕能力;四是在鋁合金電纜罩上增加一層鈦合金防護結構,提高其強度。法國在其最新的潛射彈道導彈M5的設計中,不但對重要系統進行了封閉和屏蔽,還采用了附加涂層的方式,以防御X射線的影響。

                     

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                    ■ 經過加固設計的“民兵”2導彈彈頭外殼

                     

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                    ■技術人員正在檢查經過加固的“民兵”3導彈的制導組件

                     

                    “金鐘罩”——電子系統加固彈道導彈的彈上電子元器件及其組成的電子線路、設備和系統處在核輻射(中子、γ)和電磁脈沖環境中,性能會退化,甚至失效,這就如我們的手機在電磁爐的強電磁環境中可能損壞一樣。電子系統加固設計包括電子元器件加固、電子系統抗輻射加固和抗電磁脈沖加固。外軍常采用的電子系統加固設計方法有平衡法、屏蔽法、回顧法、冗余法等。具體防護措施主要有幾種。一是采用加固的電子元件和組件。例如,“民兵”2導彈研制型采用了D37B型計算機,而作戰型采用了抗核輻射加固的D37C型計算機,“民兵”3NS-20制導控制系統采用了抗核輻射加固能力更強的D37D型計算機?!昂推叫l士”制導系統裝在第四級的抽屜式盒中,便于屏蔽和加固,這就像功夫中的“金鐘罩”,可以隔離開外界的各種打擊。此外,“民兵”3和“和平衛士”導彈均采用鍍線存儲器,具有較強的抗核電磁脈沖功能,其它元器件的篩選標準也相應提高?!叭骊睂椫茖Э刂葡到y控制電路中則采用體積小、質量更輕的微電子電路。而為了抗核爆炸效應,“三叉戟”導彈電路設計中使用了13種形式的抗核加固集成電路。二是屏蔽電磁脈沖,使電磁脈沖的射頻能量衰減到可以接受的程度?!懊癖?span lang="EN-US">3導彈各級的電子組件及電纜都設計為可屏蔽電磁脈沖方式,在組件的范圍內用金屬罩把電纜和電子組件屏蔽起來。其NS-20制導系統周圍裝有電磁脈沖屏蔽層。三是采用回避技術?;乇芗夹g是通過測量核環境的最低極限,并在超過__此極限時迅速關閉制導和控制系統的敏感電路,在威脅過去以后再使電路接通?!懊癖?span lang="EN-US">3導彈在制導艙口裝配了兩個環境敏感器,可在核爆瞬時關閉敏感電路,以防核輻射和電磁脈沖效應破壞,保護有關的電路。由于采用回避技術有可能使性能有所下降,因此,這種辦法只有在系統的全面加固還不足以抵抗所有核環境因素時才會使用。

                    “鐵頭功”——彈頭加固由于導彈彈頭在核爆條件下內部受各種應力更加復雜,外部飛行和再入環境更加惡劣,因此需要對其結構和外形進行加固,需要練就高深的“鐵頭功”。

                    彈頭的熱防護方案與總體方案密不可分,除了需要具有較強的耐燒蝕能力外,還要能經受高空核攔截環境,具有良好的抗核功能,特別是能抗X射線所引起的高熱環境?!懊癖?span lang="EN-US">3導彈再入體外形與“民兵”2差別較大,主要就是考慮到了抗核爆再入問題。此外,“和平衛士”導彈彈頭內部支撐結構呈圓盤形,用復合材料制作,內部有內外圓形抗扭結構,中間用9根輻條支臂加強,電纜則采用抗核加固屏蔽電纜,敷設在第四級中央部位,盡可能地設計在不易受輻射影響的中間部位。此外,為抵御核爆環境中的碎片和灰塵等對再入體的侵蝕,其外殼設計與熱防護設計融為了一體。對于子彈頭,外軍主要采用了加固電子線路及對電子組件進行屏蔽的方式進行加固。

                    此外,核爆炸的灰塵、沖擊波及碎片對彈體及彈頭的影響通常不及再入熱環境,因此導彈在設計中通常利用熱防護技術部分替代了對上述核爆效應及生成物的防護。

                     

                     

                    重裝之道——彈道導彈抗核加固技術的特點

                     

                    外軍彈道導彈抗核加固技術是在逐步摸索中發展起來的,與其它技術發展相比,有著自身特點。這些方法和特點就如高手習武練功一樣,也要深諳內功,且常習不輟。

                     

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                    ■美軍士兵正在吊裝民兵”3導彈的子彈頭

                     

                    “強健筋骨”——以新材料為技術發展基礎外軍彈道導彈抗核加固設計基本都是以新材料為基礎,這是解決抗核加固問題的根本。例如,“民兵”3導彈

                    在抗X 射線的屏蔽層設計中,就采用了高原子量材料(碳化鉭)?!叭骊睂椀谌壴O計中采用了鉭和鈮合金制成的可延伸式噴管,以防止輻射造成的

                    點火失效。

                     

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                    ■技術人員監修和平衛士導彈的分離盤

                     

                    “重甲強胄”——復合結構設計是新的發展方向為了解決X射線輻射形成的彈頭和彈體表面溫度梯度形成的結構破壞,外軍在導彈設計中大量采用了復合結構設計。例如,新型導彈中的多層復合結構加固套由迎光層、屏蔽層、衰減層和過渡層組成。迎光層的作用是盡量吸收X射線,但不產生過高的熱激波峰壓和嚴重噴濺,同時又不讓太多的X射線沉積到屏蔽層去。屏蔽層的作用是盡量多地吸收由迎光層漏入的X射線,但要保證不使過高壓力傳入內部。衰減層的作用是盡量降低由迎光層和屏蔽層傳入的熱激波峰壓,使傳入彈頭殼體內部的峰壓小于允許值。另一種多孔變密度加固套是密度從外到里逐漸加大的結構,吸收X射線的能力也從外到里逐步加大。由于X射線被分層吸收,降低了材料內部的溫度梯度,因而起到了很好的結構加固作用。目前許多國家都在對這兩種結構設計進行試驗與論證。

                    “步步為營”——以逐步改造為技術發展途徑由于新材料和新結構將帶來導彈總體結構設計的額外困難,因此技術風險較大,而且抗核加固也是上世紀70年代后出現的新問題,因此外軍通常采用在新型導彈定型后逐步對其進行抗核加固改造的技術發展途徑。例如,具有較強抗核加固能力的美國“民兵”3導彈就是在“民兵”2導彈基礎上改進而來的,其抗核加固能力也是逐步更新和提高。這種做法降低了導彈總體技術風險,使抗核加固技術得以平穩發展。

                    “拳不離手”——以地面分系統模擬試驗為主由于導彈總體系統難以進行真實核環境試驗,因此外軍在技術試驗中大多選擇了地面分系統模擬試驗方式。例如,美國在“民兵”3導彈抗核加固技術發展時,沒有現成的地面模擬試驗設備,所以主要通過多次地下核試驗檢驗組件或分系統,并在地面模擬試驗設備建成后又補充進行了一些試驗,如導彈電子組件和線路電磁脈沖試驗、輻射試驗等。1973年還發射了1枚“民兵”3專用試驗彈——“塔特”(TATER),用來考核經過加固的導彈抗灰塵和碎片的能力。外軍地面模擬試驗主要有中子輻照試驗、γ輻照試驗、電磁脈沖試驗和核效應試驗等。

                    目前,外軍對導彈結構加固設計也主要采用地面試驗。為驗證加固套或加固層對貯存、運輸、飛行和核環境的適應性,通常進行地面模擬試驗。模擬的環境條件主要是地面溫度、濕度、振動、沖擊,主動段和再入段溫度、燒蝕、沖擊、振動,以及中段X射線。主要試驗項目有靜態輻射加熱試驗;等離子電弧加熱試驗;風洞試驗;化爆試驗和核效應試驗等。

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