朝鲜导弹弹头烧蚀试验及再入能力分析
2016年3月，正当美韩因朝鲜核试和火箭发射而通过军演对其实施战争威胁之际，朝鲜发布了其领导人视察和指挥远程弹道导弹弹头再入大气层烧蚀试验的消息，并罕见地公布了相关细节照片，这不仅回应了外界对其弹头再入能力的质疑，而且强化了朝鲜使用核武器进行远程打击的信心，对其强化对美核威慑起到了直接作用。
弹头烧蚀试验情况
由于朝鲜只进行过大型火箭的卫星发射，至今没做过远程导弹的飞行试验，因此外界长期以来对其弹头的再入能力持怀疑态度，但外界也相信朝鲜肯定以某种地面方式来弥补这一缺陷。
2016年3月15日，朝鲜《劳动新闻》报道，朝鲜成功完成远程弹道导弹弹头再入大气层烧蚀试验。试验结果，全部技术指标达到了要求。此次试验的方法是使用火箭发动机对模拟弹道导弹弹头进行喷射，以模拟再入过程中弹头与大气摩擦产生的高温高热。试验条件是超过实际再入温度的5倍温度，试验效果如媒体报道，耐受住了远程导弹弹头再入大气层时的高温高压和震动。此前，西方国家认为尚未有证据显示朝鲜掌握远程弹道导弹再入技术，此次试验立刻引发了外界高度关注。韩国国防部称朝鲜尚未掌握重返大气层载具技术，并称掌握了重返大气层载具技术意味着已拥有弹道复合材料技术、烧蚀技术、末段制导技术等，这只有通过试射进行验证。韩国认为朝鲜的模拟试验与弹道导弹重返大气层的环境有巨大差异。那么，什么是弹头烧蚀试验，试验目的是什么呢？
弹头再入环境分析
导弹弹头在再入段面临的最大难题就是“烧蚀关”。弹头出入大气层时，飞行速度可达到每秒5千米至8千米，弹头表面温度达到8000℃～12 000℃，不要说用普通金属材料制成的弹头壳体难以承受，即使再敷上一层耐高温烧蚀的保护层，也难免被熔化。烧蚀最严重的是弹头端头部分，其在烧蚀过程中必须烧蚀率低、烧蚀均匀对称，才能保持良好的气动外形。否则，弹头在射向目标的半途就烧毁了。正因这个原因，美国“大力神”导弹弹头的头几次飞行试验均告失败，“民兵”3导弹采用的MK12弹头在前两次再入飞行试验穿越大气层时都被烧毁。导弹射程越远，再入速度越大，需要解决的再入技术问题也就越复杂。
此外，弹头再入大气层期间，有时会遇到不利天候环境，弹头表面受到水汽凝结物多重粒子的碰撞。这些粒子存在于高度12千米（或更高）至地面的空域中，其物态包括冰晶、雪花、雨滴等，粒子的形状有球、片、柱和树枝状，直径从几十微米至几毫米。这些高速粒子撞击弹头端头表面会造成机械损伤，产生严重的表面质量损失，加剧了端头形状变化。这种天气侵蚀效应进一步增加了端头环境的复杂性。对远程导弹，中等天候造成的端头侵蚀量可为洁净空气烧蚀量的一倍到两倍，其对弹头再入飞行稳定性和最终打击精度甚至弹头安全都会产生较大影响。
可以看出，远程导弹弹头设计必须考虑弹头的热烧蚀和粒子侵蚀问题，否则弹头可能在到达目标之前已解体或烧毁。这也是外界质疑朝鲜的重要原因。
朝鲜弹头再入技术分析
再入体设计降低了热效应，但外形保守从朝鲜公布的抗烧蚀试验照片可以看出，朝鲜此次试验对象采用的是一种钝形半球状的再入体端头。这与朝鲜2015年10月阅兵展示的KN-08导弹改进型的头部设计非常相似。朝鲜在2012年展示的KN-08导弹搭载的是带有稳定裙和筒体的半球头圆锥体形再入体，这种外形类似于朝鲜射程更近的中程导弹“舞水端”和“劳动”的改进型弹头，但由于KN-08为远程导弹，弹头再入速度更快，对再入设计与工艺提出了更高要求。显然朝鲜发现其技术水平无法满足KN-08导弹使用更尖锐的三级圆锥体要求，不得不改为现在的钝形设计。这种钝形设计常见于各国的早期弹头。例如，美国“大力神”2洲际导弹使用的Mk6再入体，长约3.1米，底部直径2.3米，半锥角12.5°。当时由于防热材料没有过关，一般都采用大球头半径，以减轻弹头的气动加热，弥补防热材料性能差的缺陷。但增大球头半径，显然会使弹头的气动阻力明显增加，落速减小。从减少雷达散射截面积和再入体飞行稳定性（决定了弹头打击精度）角度看，弹头以尖锥体为好，因此在弹头的防热材料性能（特别是抗烧蚀性能）得到明显提高以后，弹头的球头半径趋于减小，通常会演变为多级圆锥体，端头也会更加尖锐。美苏是最早研制洲际弹道导弹的国家，为后人解决再入问题提出了基本的思路。美国的第一代洲际弹道导弹首先试验了尖锥体，但很快发现难以克服气动加热问题。研究发现，气动阻力越大，弹头受到的热量就越小，因为钝头在弹头前方产生一个类似“气垫”的空气压缩层，压缩层可以把大量气动加热带走。当然，“钝头体”也有缺点，即降低了再入速度，使预警与反导系统有更多的反应时间。因此苏联第一代洲际导弹采用了锥形的半球头弹头，在解决气动加热的同时保持了再入速度。美国的再入材料与理论成熟后，纯“钝头体”也很快被美国放弃，但由于其有效的防热、减速特性，这种形状仍然被广泛用于航天器如载入飞船的再入设计中。
烧蚀试验具有一定效果，但结论有限朝鲜在导弹再入体烧蚀试验中采用了地面火箭发动机喷射烧蚀的方式，这也是各国导弹烧蚀试验中较为常见的一种。朝鲜由于国土面积狭小，无法完成中程和远程导弹全程飞行试验，加之缺少远洋海军、远洋测控船队，向海上发射难以获得远洋海军的支持，无法寻获发射后再入弹头，通过对其分析获得第一手数据资料。而且在国际压力下朝鲜也无法名正言顺地进行远程弹道导弹飞行试验。此外，朝鲜的“大浦洞2号”导弹在2006年唯一一次发射中起飞约40秒后偏离弹道失败，至于1998年和2009年发射“光明星1号”和“光明星2号”卫星据美国宣称也都以失败告终，朝鲜始终未有机会验证其弹头防热能力。这使得朝鲜难以研制和验证射程更远的弹道导弹。为此，朝鲜把主要精力放在了地面模拟试验上。
地面试验是研究防热和抗粒子云侵蚀问题的一个重要环节，但由于设备的功率与模型尺寸的限制，精确模拟是做不到的，只能部分模拟飞行环境。目前各国广泛用于烧蚀/侵蚀试验的是空气电弧加热器和火箭发动机，它们的工作时间从几秒至几分钟。此外，国外也有把空气电弧加热器与高速风洞结合起来进行烧蚀试验的情况。例如，俄罗斯有专门用于弹道导弹弹头再入试验的一比一大型风洞，试验最高速度能达10倍音速，温度能达数千摄氏度。
从朝鲜试验照片可看出，在试验中，朝鲜技术人员将弹头放置于一台疑似为“劳动”导弹的发动机下面，靠发动机产生的尾焰灼烧弹头以测试其防热性能。这种方式创造的试验环境非常有限。由于液体燃料火箭尾焰温度并不会太高，难以真实模拟再入环境。韩国情报部门认为，朝鲜这种试验只能产生1500℃～1 600℃环境，而导弹再入段实际温度将达7000℃，因此其认为此次试验不能说明朝鲜掌握了远程导弹弹头再入技术。
烧蚀材料精心选择，但效果不能高估朝鲜此次试验的主要是导弹弹头的头锥部分。这部分在飞行中所经受的热、力及其它环境是最恶劣的，而且它的外形变化对整个弹头的气动特性乃至飞行性能影响最大。弹头端头由端头体和端头帽组成，内部还装有触地引信。在防热材料使用上基本集中在端头、天线窗和底部，一是由于这些局部气动加热更加恶劣，二是由于这些部位重点受力，需要具备一定的承力能力，三是由于大面积使用防热结构设计目前无论从材料研究还是设计方法尚不成熟，实现困难，优越性也不明显，因而防热材料主要在以上重点部位使用。从朝鲜展示的照片看，弹头端头部分使用了类似铸造工艺的碳基材料，很可能是石墨材料或硅基材料，这些材料没有使用任何编织工艺。从结构看，可能使用了压铸或浇铸工艺，很可能就是陶瓷材料。而与其紧密相接的再入体外壳则呈现出编织工艺痕迹，似乎是若干块碳纤维布或石棉纤维编织材料沿玻璃钢基的承力体粘合而成。从烧蚀情况看，端头帽1/2处以上烧蚀严重，而与端头帽相接的再入体外壳部分表面完全烧蚀，但纤维布基本完整。从图片看，在朝鲜设定的试验条件下，试验对象烧蚀完全可以接受，意味着试验取得成功。从图片可以看到，科研人员用烧蚀前依据端头帽制作的木制模具展示端头帽的“退蚀量”，可以看出端头帽变薄，模具下出现了较大隙缝。但是如果考虑到朝鲜使用液体火箭发动机喷射烧蚀难以达到再入环境较高的温度指标，因此此次试验并不能说明问题。
朝鲜似乎考虑到上述情况，因此通过再入体由尖锐到钝平的变化回避这一问题。此外，外界对KN-08改进型导弹的再入体分析看出，在再入体头罩上有对称的4个燃气气嘴，其很可能在再入过程中通过可见的头罩完成初步再入，然后抛弃头罩，再通过盾形再入体进一步完成再入，确保核装置安全。可见朝鲜可能通过较复杂和体积较大的再入体设计回避了高温烧蚀问题，这可能就是朝鲜无需更高级材料和更高温度的烧蚀试验，而对再入技术充满信心的原因。不过上述设计可能造成在导弹推力一定的情况下的核载荷减少，这对朝鲜核武器小型化提出了更高要求，同时也大幅度降低了导弹的打击精度，需要更大当量的核武器来弥补。这些对朝鲜都是不小的考验。
◎朝鲜于2015年10月展示的KN-08改进型导弹，弹头部再入体形状发生较大变化
◎朝鲜领导人视察导弹工厂时出现的不同再入体
◎朝鲜领导人视察导弹工厂时出现的KN-08改进型导弹再入体，与此次烧蚀试验对象有一定差异
作者：张相国
来源：《兵器知识》2016年第06期
