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布拉瓦:坎坷经历与魅惑螺旋

 太阳TAI 2016-09-24

小火箭出品


布拉瓦导弹是俄罗斯战略核力量中最新的也是发展经历最为坎坷的一款潜射弹道导弹。应16个留言之邀,小火箭用了7个晚上和整个周六搜集了布拉瓦导弹的资料,计算了布拉瓦的推力、气动等参数并给出了该弹的弹道仿真,遂成此文。


“布拉瓦”导弹的研发历史可以追溯到上个世纪末。1998年,俄罗斯海军组织大量科研院所和高等院校召开了多次战略评估和型号研讨会议,会议的主题是俄罗斯海军潜射弹道导弹与美国潜射弹道导弹的对比以及俄罗斯海军战略的发展问题。当年年底,俄罗斯国防部提出了研制一款性能指标与美国“三叉戟”导弹相当的潜射弹道导弹的目标。但是,在21世纪初期,俄罗斯国防部受到了打击:马克耶夫设计局按照1998年的标准研制的“远洋帆船”导弹接连3次试射都失败了。无语的国防部即刻取消了“远洋帆船”导弹项目,开始重新公开招标。




这一次,莫斯科热力工程研究所中标。该研究所提出了基于白杨-M陆基洲际弹道导弹来研制的“布拉瓦”潜射导弹的计划。这个研究所来头不小,由导弹设计大师纳季拉泽率领的团队为“宇宙”号卫星、“进步”号货运飞船、“上升”号载人飞船和 “联盟”号载人飞船提供了性能优异的火箭发动机。该所研制了一系列弹道导弹,其中包括大名鼎鼎的白杨-M洲际弹道导弹。图为纳季拉泽(1914年8月20日-1987年9月3日)


俄罗斯国防部选择莫斯科热力工程研究所是有原因的。那个时候,俄罗斯确实是有潜射弹道导弹,而且性能还不错。但是这些用液体火箭发动机为动力的大家伙实在是有些落后于时代了。按照液体燃料导弹的寿命来推算,小火箭觉得在1998年的时候,俄罗斯大量的“轻舟”潜射弹道导弹都面临着即将过期的命运。这应该也是俄罗斯国防部比较着急更换固体发动机导弹的一个原因。而莫斯科热力工程研究所是专门做固体发动机的,能够接到这个大单并不令人感到意外。


布拉瓦,是俄语Булава的音译,原意是作战用的一种兵器——圆锤。



上图的1的头部特写



还有这样的圆锤,总之就是一种看起来很厉害的兵器啦。


一开始,布拉瓦导弹的研制工作还算顺利。毕竟,该弹有一个可以用来借鉴的大哥哥——白杨-M弹道导弹。布拉瓦有70%的零部件可以和白杨-M导弹通用。2005年上半年,布拉瓦导弹出厂,可以随时进行试射了。


布拉瓦导弹的设计可圈可点。而最为值得一提的应该是它的多枚核弹头倒置的布局方式了。我们知道,当年美国的三叉戟弹道导弹为了将多枚核弹头和第三级发动机放到一起,结果让弹头变得很粗钝,只好引入了减阻杆来改善导弹的空气动力特性。布拉瓦导弹则采用了另外一个思路:


布拉瓦导弹可以携带6到10枚分导式核弹头。与美国的三叉戟导弹不同,俄罗斯的布拉瓦导弹的核弹头是头朝下布置的。这样虽然会增加导弹释放子弹头的难度,但是能够让第三级发动机的尺寸做得比较大,同时让整枚导弹的弹头的形状更加符合空气动力学。不过,这些核弹头在再入大气层之前,要经受得住第三级发动机的喷管给它们的火的考验。



自下而上:一级发动机、二级发动机、围绕着第三级发动机喷口的10枚头朝下的核弹头、第三级发动机。


这种布置使得布拉瓦潜射导弹的弹头不会显得很肥硕。


一枚布拉瓦导弹的典型作战过程是这样的:



一艘俄罗斯弹道导弹核潜艇在某大洋深处巡弋。



这艘潜艇携带了16枚布拉瓦潜射弹道导弹。



发射筒盖缓缓打开,涌出的气泡带出阵阵杀气。



布拉瓦导弹出筒,开始在水中上浮。



布拉瓦导弹出水。




一级发动机点火工作中



一级发动机分离,二级发动机点火。



二级发动机分离,此时布拉瓦导弹头顶的天空已变为黑色,点点繁星即将见证一次核打击行动。



第三级发动机点火。头朝下放置的10枚核弹头处在第三级发动机的尾焰中。



目标就在下方,然而,10枚核弹头都还在朝后看呢。眼看就得飞向目标了,这些“倒骑驴”的核弹头们该怎么办呢?



突然,导弹右侧的一个小喷口喷出一股强劲的气流,让导弹向左翻起了跟头。


右侧喷头的喷流继续起作用,10枚核弹头如果有眼睛的话此时已经能够用余光瞄到它们要飞向的地方了。


当导弹完成了180度的旋转,使10枚核弹头指向目标的时候,导弹左侧的喷口开始喷出气流,使导弹不再转动。布拉瓦借助两次喷流,完成了半个侧手翻。


10枚子弹头开始陆续释放,之后的事情或许就该出现在各大媒体的头版头条了吧。


小火箭至今也没能找到合适的布拉瓦导弹的多弹头再入试验的照片。这里借用了美国和平卫士弹道导弹在夸贾林环礁上空进行10枚分导式子弹头再入试验时的照片。布拉瓦的分导式核弹头的情况应当和上图类似。



2005年9月27日布拉瓦导弹首次试射!该图记录了她出筒的瞬间。她从俄罗斯“台风”级“德米特里·东斯科伊”号核潜艇上以水上发射的方式出筒。布拉瓦采用这样的涂装是为了进行摄影观测和非接触测量。正式入役的导弹应该会有更符合人们审美的涂装吧。在本次试射中,导弹上升段的飞行表现得比较理想。对于飞出大气层之后的弹道情况,人们说法不一,但是从报告上来看基本上算是一次成功的试射。



2005年12月21日,布拉瓦导弹成功地进行了第一次水下发射试验。
布拉瓦导弹采用“冷发射”的方式。发射导弹的核潜艇用燃气发生器产生大量燃气,将导弹从发射筒里推出。导弹在冲出水面后点燃第一级发动机。


潜射导弹的定型测试一般要走一个先陆上发射后海上发射,先水面发射后水下发射的流程。但是,由于俄罗斯的国防部实在是比较急需一款固体燃料潜射导弹,而且该弹的前身白杨-M陆基洲际弹道导弹在定型的时候有着13次试射12次成功的好成绩。布拉瓦的陆上试射直接就给免了。


至此,可以说布拉瓦导弹发展得还算顺利。然而,莫斯科热力工程研究所其实一直在悄悄捏着一把汗。他们从来没有设计过任何一款潜射弹道导弹。如果大家去检索当年的学术论文的话,海上和水下动平台的导弹初始对准的文献还有大量潜射导弹水下载荷的标准大多出自马克耶夫设计局。但是,苏联解体后,专门研制潜射导弹的马克耶夫设计局的年轻设计人才大量流失,人才断层严重。莫斯科热力工程研究所因为白杨-M的项目算是保住了人才。但是当年那个实力雄厚的工业体系没有了,仅凭一个以研制固体火箭发动机起家的研究所挑起研发潜射导弹的重担实在是让人唏嘘不已。


2006年9月7日,布拉瓦导弹第3次试射。从水下发射的布拉瓦导弹出水正常,但是十几秒后,导弹的第一级发动机没能点火,试射失败。


2006年10月25日,布拉瓦导弹第4次试射。从水下发射的布拉瓦导弹出水正常,但是第一级发动机还是有问题,导弹启动了自毁程序。


重要型号的定型试射事关重大。在第一次和第二次试射成功之后,之后的试射通常会被高层直接过问。布拉瓦在应当表现完美的时候却连续失败,使其前途突然变得不明朗了。莫斯科热力工程研究所召开了紧急会议来分析失败原因。潜射导弹的水下载荷和在空气中飞行的载荷情况截然不同,会不会是导弹在水下运动的过程中受到了损伤呢?


为了绕开水下载荷的问题,2006年12月24日布拉瓦在潜艇处于上浮状态时进行了第5次试射。然而,导弹在飞行了200秒之后,开始明显偏离预定轨道。导弹在向地面汇报了第三级发动机严重故障后,自毁。


看来,不仅仅是水下发射有问题,这回连水面发射都不成了。不过还好俄罗斯普遍过的是东正教的圣诞节(每年的1月7日),不是美国的12月25日的圣诞节,否则12月24日试射失败之后,研发单位的”年“都没法过了。另外,作为世界上最大的、拥有坚固壳体的“台风”级“德米特里·东斯科伊”号核潜艇在每次发射之前都要准备紧急躲避以免被掉下来的布拉瓦砸中。这一点让布拉瓦的设计人员实在窘迫不已。


布拉瓦导弹的早期试射由台风级弹道导弹核潜艇来执行。


2007年6月29日,布拉瓦第6次试射,有一枚子弹头没能命中目标,但是导弹的整体飞行弹道符合要求,取得了部分成功。2008年9月18日,弹道正常,但是弹头没能正常分离,取得了部分成功。2008年11月28日,水下发射成功。


但是,在之后的试射中,布拉瓦又连续遭遇了3次失败:2008年12月23日,水下发射的布拉瓦导弹在第三级发动机启动的时候自毁,之后的调查把问题归因于级间导爆管的生产质量不合格。2009年7月15日,水下发射的布拉瓦导弹在第一级发动机启动23秒后自毁,调查显示该弹的第一级发动机结构件工艺不合格。2009年12月9日,水下发射的布拉瓦导弹偏离预定弹道。



2009年12月9日挪威当地时间早上7时50分左右,挪威中北部乃至瑞典北部的很多人都看到了天空中出现一团漩涡状的光斑。这个螺旋持续旋转了3分钟左右后逐渐消失。当时,有很多人把这个现象拍了下来。不少新闻媒体也都曾报导这一事件。这个现象和布拉瓦的试射有关,小火箭将在本文的后半段详述。


从2006年到2009年12月份,布拉瓦进行了10次试射,其中1次成功,2次部分成功,剩下的7次试射都失败了。


这款和大名鼎鼎的白杨-M导弹有70%的零部件可以通用的导弹,3年来的发射失败率高达70%。布拉瓦导弹的总设计师——莫斯科热力工程研究所所长尤里·索罗门诺夫院士(有白杨-M导弹之父的称号)引咎辞职。不久,俄罗斯战略火箭军总司令索洛夫佐夫被解职。时任俄罗斯总统梅德韦杰夫召集俄罗斯各大研究所和院校,同时加上俄罗斯海军和战略火箭军的技术部门成立了“布拉瓦导弹试飞故障国家调查委员会”,开始彻查布拉瓦导弹。



梅德韦杰夫在尤里·多尔戈鲁基核潜艇旁边,当时他应该是比较捉急的。多尔戈鲁基核潜艇是955型核潜艇(江湖人称:北风之神)的首艇,肩负着未来俄罗斯海基核力量的重任。该艇在2010年被改造为布拉瓦导弹的试射平台。有关多尔戈鲁基核潜艇的事情将在下文提起。


这个时候,人们想起了在苏联时期,用几十年的时间专注于研制潜射弹道导弹的马克耶夫设计局。一时间,让马克耶夫设计局接手布拉瓦导弹项目的呼声越来越强烈。但是,当调查组前往385所(马克耶夫设计局的编号)的时候,他们痛心地发现,哪里还有什么设计局!整个单位一片沉寂,385所少得可怜的留守员工们的年龄大多在55岁到60岁之间。自从苏联解体后,马克耶夫设计局的日子越来越难过。该设计局在1998年为德国发射小型卫星,靠微薄的发射费用为生。而后来军方突然撤销了马克耶夫设计局的潜射导弹合同成了压垮该局的最后一根稻草。


调查组到布拉瓦导弹的制造单位——乌德穆尔特市的沃特金斯克机械制造厂调查时,也是见到了类似的现象。实际上,参与布拉瓦导弹项目的600多家单位的情况都不是很乐观。那几年,俄罗斯用于部队换装的经费每年只有60亿美元,这些军工企业能否存活都是个问题。


调查小组中的俄罗斯海军总司令奇尔科夫上将和主管国防科技工业的俄副总理罗戈津几乎是流着眼泪宣布了调查结果:布拉瓦导弹的研制单位技术过硬,在艰苦环境中仍不懈努力,不应对试射失败负责;发射布拉瓦导弹的核潜艇单位认真细致,勇敢无畏,也不应对失败负责;而制造导弹的机械厂的所用的原材料、采用的加工工艺和质量监督体系有大量问题。但是这并不是某一个厂的个别问题,而是苏联解体后军工企业的普遍现象。


改制!驻扎在沃特金斯克机械制造厂长达20年的美国观察员被驱逐。军工企业的质量监督制度、现代化的管理体系、项目资金等一些具体问题开始逐项着手解决。


2010年10月7日、2010年10月29日、2011年6月28日、2011年8月27日、2011年10月28日,布拉瓦导弹连续5次试射成功。


2011年12月23日尤里·多尔戈鲁基核潜艇连续发射了2枚布拉瓦导弹。2枚导弹都命中了勘察加半岛的库拉靶场。4天后,梅德韦杰夫宣布,布拉瓦导弹已完成所有试验,即将装备部队!


俄罗斯国防部火箭炮兵装备总局(GRAU)赋予布拉瓦导弹的官方编号是:3M30。


后来,2013年9月6日,布拉瓦导弹又进行了发射。在出水2分钟后出现故障自毁。不过,在2014年9月9日、2014年10月29日、2014年11月28日的发射中,布拉瓦的表现都很优秀。2015年11月15日弗拉基米尔·莫诺马赫核潜艇2发连射,部分成功(其中一发命中目标,另一发命中目标附近,稍有偏离)。值得注意的是,这艘潜艇属于太平洋舰队,而且是2014年12月19日刚刚入役的。可见俄罗斯潜射战略核武器发展速度之快。


在布拉瓦导弹正在研发的关键时刻(2003年),俄罗斯海军水面舰艇数量已大幅缩水,比起苏联时期(比如1985年)来说,减少了557艘。俄罗斯海军的核动力弹道导弹潜艇的数量减少了一大半(由56艘减为27艘),而且里面配备的半数液体弹道导弹已处在超期服役的状态。但是,俄罗斯仍然坚持发展核潜艇和潜射弹道导弹。


我们可以从北风之神级核潜艇的首艇的名字:尤里·多尔戈鲁基上面看出俄罗斯想要重振其军事力量的愿望。


尤里·弗拉基米罗维奇·多尔戈鲁基(约1099年-1157年5月15日),基辅大公弗拉基米尔·莫诺马赫的七儿子。他被认为是莫斯科的奠基人。1147年,尤里·多尔戈鲁基在争夺基辅王位的一场决定性战役中获胜。他邀请盟友去边界上的“莫斯科”庆祝胜利。这座小村庄从此名留青史。随后多尔戈鲁基在莫斯科周边开挖护城河并搭建木栅栏,把莫斯科建设成了一座坚固的堡垒。



莫斯科特维尔大街中段市政府前的广场上,尤里·多尔戈鲁基的雕塑赫然挺立,那是1954年,莫斯科市民在莫斯科建立800周年时为了纪念他而竖立的。



北风之神级核潜艇示意图(这潜艇全长170米)


下面,小火箭将和大家一起探讨一下布拉瓦导弹的作战过程和弹道分析。


魅惑螺旋产生的原因和一枚从白海中潜行的核潜艇上发射的布拉瓦弹道导弹有关。这个现象除了让挪威气象局的电话被打爆之外,还给我们提供了一个分析布拉瓦导弹第三级发动机燃料的绝佳机会。通过光谱分析,发现这种颜色的光的波长正是氧化铝和三氧化二铝的典型波段(437.4纳米与542.4纳米之间)。于是我们可以推测布拉瓦导弹仍然采用了俄罗斯传统的铝粉添加工艺来提高发动机的性能。在后面的弹道计算中,小火箭将按1330K的温度反推固发组分,以此来提高弹道仿真的准确性。


小火箭用了几天时间做了布拉瓦导弹的弹道计算:


通过弹体外形推算导弹的气动系数,带入以椭球大地和US STANDARD ATMOSPHERE, 1976大气模型为支撑的仿真系统,以便获知导弹受到的重力和气动力。导弹的一二级固发采用之前的白杨-M导弹数据,三级发动机进行了相关修正。导弹制导律采用经典的苏联风格制导律。(实际上布拉瓦可以做变轨机动,这里不再细述。)图中紫色短曲线是布拉瓦导弹第一级壳体的弹道,紫色长曲线是布拉瓦导弹第二级壳体的弹道,红色曲线是弹头弹道。为了显示方便,弹道数据被导入到了谷歌地图中。好在谷歌地球也采用WGS-84椭球模型,因经纬度转换会使弹道图形与实际数据之间只会稍有一点误差,但是影响不大。



布拉瓦导弹从北海发射,第一级壳体落在发射点外734.125公里处,第二级壳体落在发射点外4593.835公里处,弹头命中7598.879公里外的勘察加半岛附近的目标。



发射点和靶场的位置这样设置后,俄罗斯人几乎不用打扰到其他国家就可以完成潜射弹道导弹的全射程试验了。


当然,如果北风之神核潜艇一时兴起,想要用布拉瓦导弹对北美某个行政中心进行突然打击的话,连地方都不用挪,直接在北海原地发射就可以了。小火箭顺便帮布拉瓦算了一下弹道:


全弹道:6022.420公里。从美国的一颗侦察卫星的视角来看,弹道应该是这个样子的。三条红色曲线由短到长:第一级、第二级、第三级和弹头。



第一级壳体会落到苏格兰附近



弹头再入大气层后,如果弹道末段转为垂直打击的方式,可以提高打击精度,配合一定的螺旋机动和诱饵弹头等措施,应该能够有不错的突防能力。但是,因再入角度和弹头外形的限制,导弹的机动能力有限。因此,如果要增强突防能力的话,还得从弹道中段入手。不过,美国把很大一部分拦截弹都部署在了这条弹道要经过的地方,布拉瓦要突破很多障碍呢。嗯。。。看来美国人在几年前也像小火箭这样算过她打击某地的弹道了吧。


后面附上老外做的两个视频,一个是魅惑螺旋是怎样出现的,另一个是布拉瓦导弹作战过程模拟:





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