俄羅斯新型“薩爾馬特”戰略導彈為什麼採用落後的液體發動機?

竹林劍客獨行俠


首先需要說明的是採用液體推進劑的發動機並不代表導彈本身落後


自1900年正式開始研究液體火箭以來,液體推進劑也得到了很大發展。

1900-1957年是第一階段,主要成果有中能低溫推進劑(即液氧與煤油或酒精)和單元推進劑過氧化氫(包括高錳酸鉀催化劑)。

1957-1969年為第二階段,得到了大力發展,蘇聯研製了偏二甲肼和四氧化二氮,美國則對可貯推進劑、高能低溫推進劑、單元推進劑進行了全面研究。

偏二甲肼是一種易燃有毒,具有強烈魚腥味的無色透明液體,熱穩定性好,衝擊、壓縮、摩擦、振動等均不敏感,從20世紀50年代末期開始做為液體推進劑在航天領域使用。它在生產過程中會產生N-二甲基亞硝胺(DMNA),它是一種毒性很強的高致癌化學物質。此外,在偏二甲肼使用過程以及發動機燃氣中也會存在。

給地下導彈發射井加註推進劑


總體來說,當時主要的液體推進劑偏二甲肼、硝基氧化劑四氧化二氮以及低溫推進劑液氧和液氫,都具有易燃、易爆,安全性比較差,還具有一定腐蝕作用。此外,推進劑和燃氣還會對操作人員造成中毒、刺激與腐蝕、過敏與變態反應、環境汙染等。

1969-1980年為第三階段,主要是對已有推進劑進行性能改進和開始研究高能推進劑。

1980年後至今為第四階段,重點研究環境友好、低冰點、高密度、綠色高能推進劑,例如硝酸羥胺基單組元推進劑、高濃度過氧化氫推進劑。

目前在液體推進劑方面,美國和俄羅斯水平最高;在大型運載火箭方面,美、俄、法基本相當;但在巡航導彈、高超聲速導彈、高空高速偵察機、無人機用高密度吸熱燃料(推進劑)方面美國仍具有領先優勢。在低溫推進劑方面,美、俄、法基本相當。

導彈推進劑移動加註設備КПЗО


至於固體推進導彈,蘇聯在上世紀60年代就開始研製。

與之前的液體推進導彈相比,固體推進導彈有著自身獨到的優勢:

-省去了液體導彈配套的加註設備和車輛,縮小了陣地規模和簡化了工程設施,使得維護費用大為降低,發射部隊編制也相應縮小

-發射前不必臨時加註推進劑補充氣壓和撤收管路設備,有利於實現快速發射和待機發射,提高了反應能力和戰鬥值勤值班率

-導彈在貯存時沒有因液體推進劑蒸汽冒出而產生的汙染與爆炸危險,有良好的可貯存性

-由於發動機點火啟動簡便,加速性好,以及不存在液體導彈失重狀態下空中點火的困難,因此適合多陣地部署和發射方式

-便於實現多發導彈的“齊射”和“群射”,尤其是對於小型戰術導彈。

不過沒有事物是完美的,固體導彈的出現也產生了新的問題

首先是運輸重量增大。液體導彈通常為空彈狀態運輸,而運載能力相同的固體導彈其運輸量為液體的5-10倍。這樣就需要重型運輸車輛與高等級公路,從而使得機動地區和範圍受到一定限制。因而要實現高機動化的前提條件就是輕小型化。

其次是對結構提出新要求。由於追求高裝藥密度和高的質量比,廣泛採用了輕質複合材料製造發動機殼體,其單位負荷高達幾十公斤,比液體高出一個數量級,所以對支承託座結構形式提出了特殊要求

最後是對運輸過程也有了新的要求。在運輸過程中,必須考慮降低和減少衝擊震動載荷並對推進劑採取保溫措施,同時還要防止電磁感應,因而一般採取運輸筒包裝。

蘇聯最初的固體推進導彈PT-15


固體推進劑是一種具有特定性能的含能複合材料,是導彈、空間飛行器各類固體發動機的動力源。其組成物質在燃燒室內燃燒,由化學能轉換為熱能生成高溫高壓燃氣,燃氣通過噴管膨脹加速,將熱能轉換為動能,高速向後噴出的燃氣給發動機一個反作用力,為發動機提供一定的推力。它的性能優劣直接影響到戰略和戰術導彈的生存能力和作戰效能。

它的發展始於20世紀初的雙基推進劑和20世紀中葉的複合固體推進劑。從20世紀60年代和70年代以來,國外先後研製出端羧基聚丁二烯(CTPB)推進劑、端羥基聚丁二烯(HTPB)推進劑、交聯雙基(XLDB)和複合雙基(CDB)推進劑。

導彈推進劑貯存倉庫


70年代末和80年代初以來,國外使用奧克託今HMX部分取代高氯酸銨的HTPB推進劑。同時,雙基和複合雙基進一步結合產生了硝酸酯增塑的聚醚(NEPE)高性能推進劑。蘇聯則在同一時期成功研製出含三氫化鋁AIH3和二硝酰胺銨ADN高能推進劑。

在80年代末和90年代以後,產生了一系列高能物質,包括氧化劑、粘和劑、增塑劑和添加劑等。

目前國外正在向以下方面進行研究:新型高能量密度物質(HEDM)、新型高能推進劑配方、高能固體推進劑新型成型工藝和革新技術等。

目前戰略導彈固體推進劑無論能量水平還是品種數量與生產規模,美國具有領先優勢,俄羅斯與其差距不大。在戰術導彈方面,美、俄、法、英等各具特色,近年來日本、印度和巴基斯坦也在不斷縮小差距。

固體推進劑發展簡介


至於薩爾馬特導彈,本身就是繼承了有“撒旦”之稱的P-36M導彈,採用液體推進劑也在情理之中。

根據馬克耶夫國家導彈中心披露的消息,Сармат薩爾馬特導彈可攜帶10個重型或者15箇中型分導式核彈頭,射程大於10000千米。該導彈預計將可能採用“一體兩型”的設計思路,針對西歐和美國提出不同的設計方案,其中針對美國的方案,導彈起飛重量150~200噸,射程16000千米,投擲重量達8噸,略高於P-36M2。針對歐洲的方案,導彈射程9000千米,起飛重量100~120噸,投擲重量5噸。兩種設計都採用了分導式核彈頭。

據介紹,“薩爾馬特”將採用井基冷發射方式,發射時先用火藥蓄壓器將導彈彈射到發射井上方20-30米左右高度,然後導彈自行點火起飛。

“薩爾馬特”將採用新型慣導+星光制導+衛星制導的複合制導方式,其分導式核彈頭的打擊精度比P-36M2更高,預計在250米左右。在導彈突防能力方面,由於導彈的投擲重量有所增加,其可以配備種類齊全、數量更多的誘餌,突防能力凸顯。

薩爾馬特導彈設計圖


榮華之武器堂


其實俄羅斯的戰略導彈此前一直都是採用液體燃料為主,直到80年代才開始發展固體燃料戰略導彈。但是相對於固燃技術,俄羅斯的液體燃料技術要更加成熟更加可靠。他們的液體燃料甚至能達到加註到導彈彈體之後,10年內都不需要維護保養。液體燃料擁有高腐蝕度,像我國的遠程的液體燃料導彈都是在要發射前幾小時才會開始加註燃料,就是擔心彈體被腐蝕的問題。但是和平時期的火箭可以這樣做,如果在戰時,這樣則會容易出現暴露目標的危險。對於潛艇裝備潛射戰略導彈,如果臨時加註燃料更是會耽誤寶貴的攻擊時間。但是由於俄羅斯擁有一項高子分膜的技術,可以避免彈體被腐蝕問題,所以也就可以讓液體燃料長時間保存,達到隨用隨發的水平,不比固體燃料差。

至於全新的薩爾馬特戰略導彈為什麼不用固體燃料,主要也是因為俄羅斯最近幾年發展的布拉瓦固定燃料戰略潛射導彈並不成功,多次試射失敗。這讓俄羅斯重新啟用新一代液體燃料。

相對比固體燃料,液體燃料的推進力要比固燃大,同樣質量情況下,液燃的推進力要比固燃大出每秒200米左右的速度,優勢還是明顯的。

液燃的可操控性能也要比固燃更好,主要是液體推進劑的工作需要進行一系列過程,先把推進劑送入燃燒室,混合燃燒後產生高溫高壓燃氣,然後通過噴管高速排出,產生推力,這中間可以進行各種閥門調節燃料流量和速度,來控制推力。而固燃一旦著了就很難控制了。

設計上液燃也要比固燃簡單,固燃導彈的部件需要能承受高溫卻沒有冷卻系統因此對材料要求很高。液燃因為可調節所以這個問題並不突出。同時因為固燃有高溫的問題,所以部件不可能長時間工作,所以發動機的工作時長也不如液燃,差了約一半時間。當然,液燃也有很多缺點,操作性複雜,發動機結構複雜,燃料可儲存時間也不如固燃。但是因為成本比較低,生產和研發時間也較短,加上推力大,而又可以更多利用現有設施就可以實戰部署。所以,綜合這些優勢俄羅斯方面最終選擇了薩爾馬特採用液體燃料。

俄羅斯的新一代布拉瓦戰略潛射導彈曾在試射過程中多次失敗。


陶德中士


符合戰鬥民主特點。

薩爾瑪特導彈作為白楊的升級換代產品已經穩坐了世界洲際導彈之首了。

利用液體導彈發動機可以提高導彈的載荷並且增加導彈的精度。

對於薩爾瑪特來說,單枚1000萬噸當量的彈頭或者12枚50萬噸當量的分導彈頭可以問問妥妥的摧毀目標。精度並不是一個太重要的問題,所以更重要的是能帶起1000萬噸當量核彈頭的巨大載荷的導彈單體重量達到了220噸。使用固體燃料發射效率則很低了,因此只好繼續使用液體導彈發射機制。

傳統意義上來說,液體導彈發射如果依靠發射車進行發射那麼受到的地形限制多。開闢一個發射場的限制太條件導致液體導彈真正能活動的範圍其實不大。雖然俄羅斯有課運載薩爾瑪特的機動車輛,但這些車輛並不是薩爾瑪特的最主要發射方式。

最主要的發射方式還是——利用發射井進行發射。這樣實際上使用液體導彈就更加順理成章經濟實惠了。

通過調整發射井內導彈彈頭也可以更加方便快捷的更換打擊單元進行多種任務部署。

可能有人說發射機是第一波核彈打擊的目標,其實話是這麼說而已。雖然各國都在尋求發展可移動式的發射平臺進行二次打擊。但對於使用發射井的戰鬥民主來說——第一波核彈必然是戰鬥民族從發射井中發射的。因此——用液體導彈發動機,放在固定的發射井裡面其實對於薩爾瑪特來說都不叫事。


怕嗎?


軍武數據庫


圖注:俄羅斯新型重型洲際導彈“薩爾馬特”

為了替代“白楊”系列洲際導彈,俄羅斯最新研製了“薩爾馬特”戰略導彈,已經在2017年試驗發射,預計2018年裝備部隊。令人感到費解的是,這款號稱新一代的戰略導彈卻沒有沿用當前各國戰略導彈普遍採用的固體火箭發動機技術,而是採用了上世紀五六十年代主流的液體火箭發動機技術,其實這並不奇怪。

“薩爾馬特”編號為RS-28,重量達到100噸,射程超過1萬公里,僅以導彈的重量而言,“薩爾馬特”可以說是迄今為止最為巨大的洲際彈道導彈。“薩爾馬特”的巨大,很重要的一個原因就在於,它的發動機採用了液體燃料,一般來說在相同射程條件下,液體燃料要比固體燃料消耗更多,所以體積和重量就會變得巨大,從上世紀的八十年代開始到現在,各國的洲際導彈已經普遍棄用液體燃料,而改用固體燃料。在“液轉固、全固化”的導彈發展潮流下,俄羅斯竟然走回頭路搞液體彈道導彈,說明俄羅斯眼下還不能儘快研製成功更大尺寸、更大推力的固體火箭發動機,而為了攜帶更多的彈頭,只能“撿回”重型液體彈道導彈的既往老模式。

從這些看似不合潮流的奇怪現象來看,俄羅斯當下的經濟形勢不樂觀,蘇聯時期可以做到一個彈頭配一枚導彈和一座發射井,如今這種燒錢的部署方式在經濟吃緊的條件下多少就不合時宜了,俄羅斯只能退求其次,重啟液體燃料導彈,顯然是反覆算了經濟賬的結果。


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