书城工业技术航天航空小百科-航天时代的奇迹
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第10章 世界各国火箭巡礼(5)

“钻石”号运载火箭第一二级装有飞行控制系统,第三级靠旋转稳定,由微型发动机保证火箭的姿态与地平线平行。“钻石”号火箭打开了法国通向太空的道路,同时为欧空局的“阿丽亚娜”火箭计划提供了经验。

(4)日本的运载火箭

日本的核弹头和战略导弹潜力

二次世界大战中,日本军国主义者依靠其庞大的军事力量发动侵略战争,给亚太地区许多国家和人民造成空前的浩劫和灾难。战败投降后,日本于1947年5月开始实施新的《日本国宪法》。新宪法在第二章“放弃战争”的第九条里明确规定(日本)“不保持陆海空军及其他战争力量,不承认国家的交战权”。半个世纪过去后,《日本国宪法》第九条文字依旧,但现实已与它大相径庭。今天的日本不仅是世界经济大国,也是军事强国。1996年,日本国防预算高达500亿美元,超过英、法两国总和,高踞世界第二位。几十年来,在美国支持和扶植下,日本以“自卫”的名义重新武装起来。为在亚太地区重执牛耳,它不仅重建了一支装备精良的陆海空军,而且还是潜在的核导弹大国。日本拥有世界一流的固体火箭。自V-2火箭问世50多年来,导弹几经更新换代,以固体火箭发动机为动力的弹道式导弹(特别是核导弹)已成为当代杀伤破坏效率最高、威慑力最强的武器系统。现在,除了联合国五个常任理事国以外,还有不少国家想拥有它。其中,最具有实力的国家是日本。几十年来,日本通过发展空间运载火箭,掌握了世界一流水平的固体火箭技术。

日本从20世纪50年代开始研制现代运载火箭。1970年2月,它用L-4S三级固体火箭将24千克重的“大隅”号卫星送人太空,成为第四个用自己火箭发射卫星的国家。20世纪70年代引进美国先进的“德尔它”火箭技术后,日本空间事业发展步伐加快。20多年来,它已用L、M、N、H、J等5个系列的11种火箭发射了50多颗不同轨道的卫星,成了一个实力雄厚的空间大国。自L-4S开始,无论哪一次发射都使用了固体火箭(有时用作助推器)。频繁的发射,使日本在固体火箭领域(包括发动机的推进剂、材料、喷管技术)以及火箭的控制、发射技术等各个方面,都积累了丰富经验并达到世界一流水平。推进剂,自80年代起,日本固体火箭和美国、前苏联先进的固体洲际导弹一样,都采用凝基尾聚丁二烯(HTPB)复合药作为推进剂材料。日本的新材料、新工艺历来走在世界前列。它的固体火箭使用的高强度合金钢NT-150(H-2火箭助推器使用)与HT-230(M-5火箭的一、二级使用)、钛台金(M-3S2及N火箭的三级)以及碳纤维增强塑料(M-5火箭的三级),都是世界上同类中性能最好的材料。

导弹

喷管技术,现代固体发动机喷管的喉部要经受2500~3000℃高速热气流冲刷,而且喷管还要全轴摆动使喷流改变方向产生控制飞行的力和力矩。20世纪80年代,日本通过研制H-1火箭的三级固体火箭发动机,掌握了用碳/碳复合材料制造耐烧蚀高空喷管的技术,通过研制H-2火箭的助推器,掌握了特大型摆动喷管技术。H-2助推器喷管重1985千克,比美国MX洲际导弹一级发动机喷管(重745千克)大得多。它采用石墨喉衬、碳/酚醛等抗烧蚀材料,采用推力矢量控制系统实现喷管全轴摆动。此外,M-5的第三级固体火箭发动机上,日本也采用与美国MX水平相当的“延伸喷管”技术,与美国一起在这个高技术领域里名列前茅。控制技术,N-2火箭引进美国速率捷联控制系统以后,日本开始在空间运载火箭上使用全惯性控制技术提高卫星的入轨精度。在世界上最先进的电子工业和计算机技术支待下,日本发展了独具特色的火箭控制技术。在TR-1A及M-5火箭上,它率先使用光导纤维构成光路的激光陀螺,组成了不仅适用于火箭也适用于导弹的精度高、简单可靠的控制系统。众所周知,1983年美国里根政府推出“星球大战”计划以后,美国和苏联相继部署了最先进的固体洲际导弹MX(1986年)、SS-25(1985年)、SS-24(1987年)。它们不曾料到日本后来居上,1988年开始研制规模更大、运载能力更高的M-5火箭。M-5火箭已经在1997年2月14日首次发射成功,把“缪斯-B”(Muses-B)卫星射人太空。这样一来,日本就成为世界上拥有最大三级固体火箭的国家。日本固体火箭可以改成各种射程的导弹,“固体空间运载火箭”与“固体弹道导弹”之间。技术上本来就只有一纸之隔。倘若把火箭运载的卫星换成导弹的弹头或核弹头,改变飞行轨道,它就成为能攻击地面目标的弹道式导弹或核导弹。日本固体火箭品种较多,可以组成各种战术导弹和中程、远程及洲际导弹。战术导弹,日本可利用TR-1A固体火箭改装成战术导弹。日本宇宙开发事业团为进行H-2火箭的单项研究实验和微重力实验,20世纪80年代至今先后研制并发射了TR-1和TR-1A火箭。TR-1A火箭直径113米,全重103吨,装7吨HTPB复合推进剂。TR-1A火箭可把630—750千克的微重力实验舱射到265千米高度,并使它落到数百千米外的海面上。1991年9月,TR-1A火箭进行首次发射,就在控制系统中使用了中精度光纤陀螺。计算表明,如果把它的“实验舱”换成700千克重的弹头,这个火箭就成为射程超过750千米、可以装载在越野汽车上发射的机动战术导弹。这样的导弹,能攻击韩国、朝鲜和中国东北地区的目标。日本宇宙开发事业团的河内山治朗曾经在1990年著文,展望了加一个35吨燃料的两级火箭(TR-X)方案。它的射程能力,将超过美国的“潘兴2”导弹。“潘兴2”导弹全重73吨,其中一、二级分别装备32吨和22吨HTPB复合推进剂。发射726千克弹头时,其最大射程可达到1800千米。这种射程的导弹,能攻击中国东北、华北、华东、华南的目标。甚至可以打到西安。战略导弹,日本宇宙开发事业团研制的H2火箭助推器(SRB)直径18米。装59吨HTPB复合推进剂,海平面推力158吨,工作时间93秒。如果将其发动机壳体换成碳纤维复合材料以减轻结构质量,那么仅仅用一个助推器作单级固体火箭,它就可以使2吨重弹头达到5500千米以上的射程。弹道式导弹的弹头从数百乃至上千公里的高空重返大气层,飞行条件极为恶劣。许多想拥有弹道式导弹的国家,都因为无法越过这道技术障碍而里足不前。而日本恰好在相关领域里,拥有世界公认的技术优势。中远程导弹、洲际导弹的弹头以43~75千米/秒的高速和40~20度倾角再入大气层。巨大的冲击波产生几十个、甚至上百个大气压的外压作用于弹头壳体。

同时,与空气摩擦还产生巨大的热应力和剧烈升温(远程导弹弹头端头可达到3000℃~4000℃,洲际导弹弹头端头可达到太阳表面温度,即6000℃~10000℃)。20世纪60年代,曾经用钨合金作弹头端头,但它只不过耐3500℃,不久就被淘汰了。

1969年,日本东丽公司生产出世界上首批高强度、高横量碳纤维。以此为开端,出现了耐高温、耐腐蚀、抗热震、密度仅为钨合金1/10的碳/碳复合材料,以后的洲际导弹弹头都用它。20世纪90年代,日本开始在航天技术中大量使用碳/碳复合材料。在高性能碳纤维产量方面,东丽公司一直占据世界首位。

1996年2月12日,由两级状态的J-1火箭将1040千克重的日本“希望”号航天飞机的“高超音速飞行试验件”(HYFLEX)射人亚轨道。HYFLEX以大倾角(49度)再入大气层,速度达到M=144它完整地落到1300千米以外的海洋中。这次再入飞行试验表明,日本事实上已完成了相当于射程3000千米的弹道式导弹弹头的再入防热工程考核。鉴于日本在碳/碳复合材料领域中的技术优势,可以认为,一旦日本作出决定,它很快就能造出洲际导弹的弹头。除了防热问题,现代弹道导弹的弹头还要解决“落点精度控制”(即精确制导、末制导)和“反拦截”(即突防)两大难题。众所周知,美国在这些领域中处于领先地位,但美国常常依靠日本进口高精度电子部件和技术。1985年夏季“星球大战”计划开始后不久,美国曾要求日本防卫厅技术研究本部提供东芝公司的成像寻的装置(它不受红外线和雷达干扰)。除了这个例子,人们还可以通过美国希望从日本获得诸如高速逻辑砷化镓器件、亚微米光刻技术、图像识别技术等看出日本在精确制导、突防方面均有雄厚的实力。