韩国打捞朝鲜火箭残骸的意义
2012年12月12日,朝鲜火箭发射时,韩国的“宙斯盾”舰“世宗大王”号跟踪到了一级火箭助推器的坠落过程,记录了多个残骸坠落位置。当日上午该舰在边山半岛西侧160千米处发现漂浮的朝鲜火箭残骸,该残骸很快沉入海底。韩国海军派出1艘深潜救生艇“清海镇号”实施打捞。深海潜水员在海底80米处花费8个半小时,次日凌晨打捞出火箭残骸。残骸长7.6米,直径2.4米,据推测是一级火箭氧化剂储桶。随后韩国在周围1~2千米附近再次打捞到3件残骸,可能由于火箭坠落冲击力巨大,这些物体破损严重。初步判断为直径2.4米、高4.2米的燃料箱和燃料箱下端、连接燃料箱和发动机的零部件,其中还包括疑似为发动机的残骸,长约2米,直径0.6米,被胶带、电线等密集缠绕。
为了分析朝鲜火箭残骸,韩国组建了由国防部、联合参谋本部、国防情报本部、军事情报司令部、陆海空军、国防科学研究所的专家及参与“罗老”号开发的航空宇宙研究院专家等42人组成的调查团。美国也派出了专家参与研究。
韩美专家通过残骸可以推测朝鲜大推力火箭设计能力。例如,由于已确认氧化剂燃料桶的大小,可通过火箭燃烧时间等数据推测发动机推力等。另外,通过燃料桶有望确定朝鲜远程火箭的外壳材质和强度,以及一级火箭中4台发动机耐高温的发动机合金技术。从燃料储箱的焊接水平,可以判断朝鲜大直径火箭的加工能力,甚至使用的加工设备,以及相应的导弹战备储存时间等,从而可以推断出朝鲜导弹服役状态和快速反应能力。另外,通过第一级发动机的结构设计和工艺使用,也能发现其原始设计是否完善,可靠性是否足够高,对于朝鲜以后的导弹发射燃料配备及准备时间能有一个确切了解,这有助于增加预警时间。例如,从打捞上来的燃料箱看,朝鲜火箭表面使用了高强度铝,但铝镁合金使用量有限,这表明其合金生产能力不高,耐燃料腐蚀能力有限,因此相应的火箭和导弹的待机发射时间非常有限。
从火箭燃料类型和成分也可以估算火箭的推力、燃料加工场所以及燃料储存、运输的要求,从而能推算出以这一级发动机为基础的弹道导弹在携带一定有效载荷时较为精确的射程,以及燃料储存运输使用的车辆及安全措施。
火箭设计中液体燃料的选择
目前,关于“银河”3残骸的最终报告还没有公布,但已确认使用的氧化剂为红烟硝酸。韩国防部宣称,“装在氧化剂桶中的红烟硝酸达48吨,模拟试验分析结果显示,这些氧化剂及对应的燃烧剂具备118吨的推进力,如果载有500千克的弹头,最少能投送到1万千米以上”。那么,什么是火箭或导弹中的氧化剂?火箭导弹在设计中如何选择燃料类型?朝鲜使用的红烟硝酸又是一种什么燃料呢?
液体推进剂分类众所周知,物质燃烧实际就是一个快速氧化的过程,燃烧剂和氧化剂缺一不可。而火箭导弹为保证在高空稀薄大气或真空中推进剂仍能燃烧,需要自带氧化剂,因此火箭导弹的液体推进剂包括燃烧剂和氧化剂,这是火箭发动机的能源和工质。
值得注意的是,这两种推进剂可以是分开的,也可以是混合在一起的。混合在一起的被称为单组元推进剂,既可以是氧化剂和可燃物质的混合物,也可以是单一化合物。它在常温下是稳定的,当加压、加热或经过催化剂时,产生热的燃烧气体或分解成气体。单组元推进剂的优点是输送系统简单,但性能较低,主要用于发动机系统的辅助能源,如涡轮泵用气体发生器的燃料及火箭姿态控制的喷气源。而氧化剂和燃烧剂分开的被称为双组元推进剂,其氧化剂和燃烧剂在进入燃烧室后才混合。有些双组元推进剂的组合,在相遇后不会自燃,这称为非自燃推进剂,如酒精和液氧。非自燃推进剂需要由点火装置引燃。有些双组元推进剂的组合,一旦相遇能立即燃烧,这称为自燃推进剂,如偏二甲肼和四氧化二氨。采用自燃推进剂可免去点火系统,但是设计时应避免部件泄漏引起两种组元接触造成燃烧或爆炸。目前导弹用的推进剂多为双组元推进剂。
火箭导弹对液体推进剂的要求一般火箭导弹对推进剂的要求有几点。一是单位推进剂质量释放的能量高,比冲高,使火箭及导弹获得较大的推力。二是推进剂密度大,这可以减小推进剂贮箱容积和输送系统的尺寸及质量,使火箭导弹更小巧,尽可能减少火箭自身负荷。三是点火容易,燃烧稳定,燃烧效率高,这使点火设计更简单可靠,为火箭导弹提供更稳定的动力。四是比热大,热传导性好,临界温度高,这可以减缓火箭导弹发射过程中自身温度过快上升带来的危险,并可作为燃烧室的良好冷却剂。五是燃料腐蚀性小,沸点高,具有与发动机材料的相容性,这可以使燃料对火箭导弹储箱的破坏降到最低,而且可以在平常温度环境下保管与操作,减去了不必要的维护保养设备。六是热稳定和耐冲击,毒性小,保证使用中安全,这可以使日常操作更便捷,人员和设备无需过多的防护措施。七是价格低,来源丰富,适合大规模生产和使用。
此外,运载火箭用推进剂在燃烧后剩余物的无毒无污染特性越来越被重视。实际上,任何一种推进剂组合都不可能同时满足上述要求,需照顾到主要方面进行评价,来选择推进剂类型。
朝鲜火箭燃料性质分析朝鲜选择了红烟硝酸作氧化剂。红烟硝酸是在白色硝酸中加入了一定比例的红褐色四氧化二氨,使其外观颜色呈现红棕色,因此被称为红烟硝酸,易蒸发。红烟硝酸是应用很广的火箭推进剂。主要优点是:比重大,密度比冲高,冰点低,沸点高,液态温度范围宽,是一种典型的可贮存推进剂,与许多燃料(如苯胺、二甲苯胺、肼类等燃烧剂)组成自燃推进剂,系统简单,起动可靠。其作为推进剂的主要缺点是:腐蚀性强、比冲较低。其在中小型液体火箭发动机中应用较多。硝酸的蒸气毒性主要是其挥发出来的二氧化氮引起的,吸入高浓度二氧化氨蒸气时,将引起肺水肿,严重者导致窒息死亡。硝酸溅在皮肤或眼睛上,会引起严重烧伤。
红烟硝酸在大气压力下沸点为86%,冰点为-42℃,这适合导弹的野外作战环境,因此其在导弹武器中也应用较广。但红烟硝酸对许多金属材料有腐蚀性,含水硝酸腐蚀性更大,与碳钢、铜及铜合金、钛及钛合金不相容。为了降低其腐蚀性以便更好地作为推进剂使用,通常在其中加入少量磷酸或碘、氟化氢、氟化磷等缓蚀剂,加添缓蚀剂后与不锈钢、铝合金焊缝都能很好相容。采用氢氟酸阻蚀剂的红烟硝酸做预包装氧化剂,封装在铝合金贮箱内,贮存期可达10年以上。但从朝鲜火箭导弹情况看,其显然还没有完全掌握这种技术。
虽然目前韩国方面没有公布对打捞的燃烧剂储箱的分析结果,但从其沿用“飞毛腿”导弹燃料技术看,“银河”3火箭使用煤油(“飞毛腿”使用了煤油作为燃烧剂)和肼类(初级导弹发展国家普遍使用的燃烧剂)燃烧剂的可能性较大。“飞毛腿”导弹使用的煤油是一种轻质石油产品。它是无色或浅黄色的易流动液体,是使用广泛的火箭发动机燃料。各种不同牌号的煤油是含量不同的烷烃、环烷烃和芳香烃的复杂混合物,成分随产地、批次而异,物理化学数据是多次试验的平均值。煤油作为燃烧剂,化学性质安定,不自燃,只有在高温下才能与强氧化剂起化学反应和燃烧。此外,其还具有能量较高、毒性小,安全、经济性好,易贮存处理的优点。其对人体的毒性主要是刺激、抑制中枢神经系统,降低血压,不会致命,经常接触会使皮肤发炎。除铅、镉、铜外,与其它金属都相容。非金属材料聚乙烯、聚四氟乙烯、聚酞胺类、氯丁橡胶、丁腊橡胶、石棉和软木等与之也相容。现代火箭发展初期,煤油燃料就得到重视,以后又进行过大量的研究,现在主要用在大推力火箭运载工具上。例如,我国新近披露的YF-100大推力火箭发动机使用的就是液氧/煤油组合的燃料,其地面推力达到了122吨,比我国以前使用的推力最大的YF-20发动机提高了60%以上。
朝鲜火箭燃料使用及分析
从红烟硝酸的特性和使用情况可以看出,朝鲜选择红烟硝酸作为“银河”3的推进剂是既看中其具有的一定技术优势,也隐藏了一定的导弹计划企图。
燃料具导弹试验嫌疑红烟硝酸是最早应用的火箭燃料之一,但由于其制造有一定难度,因此多用于导弹武器,如苏联“飞毛腿”系列、印度“大地”系列,美国“长矛”导弹等。红烟硝酸在运载火箭上使用较少,但由于许多国家最初的运载火箭都是从导弹武器发展而来的,因此早期的运载火箭燃料也有使用其作为氧化剂的,但由于价格昂贵、污染较大、操作危险,很快就被淘汰了。而由于该燃料性能较为稳定,冰点和汽化点都适合作战环境。朝鲜“银河3”使用成本高昂的红烟硝酸作为火箭燃料,说明其可能就未开发过专门的民用燃料和运载火箭,而是将导弹简单改装为运载火箭,利用卫星发射来检验导弹性能。为此,韩国技术专家称:“一般情况下运载火箭发射会使用液氧作为氧化剂,但把可长时间在常温下保管的红烟硝酸用作氧化剂,表明‘银河’3就是洲际弹道导弹”。
燃料使用危险,无法长期储存 虽然红烟硝酸性质相对稳定,但毒性较大,在使用过程中危险非常高,一旦泄露就可能造成大面积人员伤亡和仪器设备的损失。此外,由于其具有较强腐蚀性,其与燃料箱的长时间接触可能造成火箭设备的破坏,因此“银河3”火箭在发射前才加注燃料,而且一旦加注燃料就必须在一定时间内发射,否则火箭燃料储箱和阀门可能被腐蚀报废,造成危险。而以此为氧化剂的导弹在使用时就必须装备专门的氧化剂加注车,在发射前对导弹进行燃料加注,这使导弹的快速反应能力大为降低,而且这种加注作业危险性较大,必须十分小心。
燃料价格昂贵,非航天专用 红烟硝酸价格较为昂贵,各国在航天发射中较为罕见使用,目前各国都为航天发射开发了效率较高的液氧燃料,发射中不会产生污染,使用中安全性也相对较高。朝鲜在航天发射中使用红烟硝酸燃料,使其卫星发射成本居高不下,不但无法参与未来的航天竞争,而且内部使用成本也会成为重点考虑的因素。这将阻碍其航天事业的发展。
燃料的性质证明技术来源
朝鲜最早接触红烟硝酸燃料应该是其引进苏联“飞毛腿”导弹时开始的,此后该燃料应用于其仿制“飞毛腿”的“火星”系列导弹上。以后朝鲜在自行开发的“劳动”系列导弹上再次采用该燃料,在“银河”3一级火箭设计上,西方一直猜测,朝鲜采用了4台“劳动”导弹并联的方式解决大推力火箭的问题,但一直没有证据,红烟硝酸燃料的使用在一定程度上说明了猜测的可信性。这也证明了朝鲜导弹技术的来源,为分析其现有导弹能力和未来导弹设计方案提供了佐证。