液体燃料战略导弹为何经久不衰？
液体燃料弹道导弹的“逆流”
众所周知，最早的导弹武器采用液体燃料，而且几乎所有国家的早期弹道导弹也都使用液体燃料，20世纪50年代中期出现较高能量和良好力学性能的固体复合推进剂和装药技术后，液体燃料导弹（以下简称液体导弹）逐渐势微，许多国家大力发展固体燃料导弹（以下简称固体导弹），但液体导弹始终没有退出舞台，在进入新世纪后，许多导弹大国掀起了一股液体导弹的“逆袭”风。
俄罗斯俄罗斯战略导弹无论是陆基还是海基，液体导弹都曾占据绝对地位，但是从上个世纪80年代开始，随着公路机动的SS-25和潜射SS-N-20导弹的服役，液体导弹在俄开始走下坡路。直到本世纪前10年，俄所有的战略导弹发展项目几乎都是固体导弹，例如公路机动的“白杨”M、“亚尔斯”和潜射的“布拉瓦”等，因此当2011年俄突然宣布其正在开发一款大型液体战略导弹时外界都大吃一惊。实际上，俄一直没放弃液体导弹，冷战遗留的“撒旦”SS-18和“匕首”SS-19井射导弹，以及潜射的“轻舟”导弹仍是俄战略核力量的主体。特别是新世纪初，俄为弥补“布拉瓦”试验屡次失败造成的服役期一再推迟问题，在“轻舟”基础上发展了新型的“蓝天”液体导弹，并在其基础上研制了“莱涅尔”（“大渡轮”）潜射导弹，装备了改进的突防装置和威力更高的新型弹头，2011年成功进行飞行试验。而2011年透露的未来大型液体导弹将取代目前的SS-18，这一导弹项目已列入俄国家武器装备计划，导弹名称为“突破”（或“必然”）。2011年4月，俄战略火箭兵原总参谋长曾透露，俄新型井基重型液体燃料洲际导弹将于2018年前装备，随后俄国防部在2011年底确定了研制新式重型洲际导弹任务，纳入2020年国家武器计划。从服役情况看，该大型液体导弹与同为克拉斯诺亚尔斯克机械制造厂生产的“蓝天”和“莱涅尔”导弹，将使俄战略导弹核力量主体再次转移到液体导弹上来，并可能维持一定时间。
美国美国是固体燃料技术最先进的国家，无论是其陆基导弹还是潜射导弹都已经完全过渡为固体燃料，但是其仍未放弃液体导弹技术，特别是近年来开始在一些领域扩大液体导弹技术的应用。早在2002年4月美国导弹防御局就责成TRW公司为其设计新型液体燃料推进器靶弹，新的靶弹推进器计划将增强美国导弹防御系统的试验工作。采用液体燃料火箭发动机设计导弹防御试验靶弹，充分利用了液体燃料发动机易于推力控制的特点，可使靶弹弹道更接近目标导弹，充分试验拦截导弹的性能。此外，美国还利用快速空间响应计划等项目保留了液体火箭发动机技术。
从全球其它国家的导弹发展情况来看，像印度、朝鲜和伊朗等新兴导弹国家在相当长的时间里还停留在液体导弹为主体的状态。我国与其它国家一样，最早的运载火箭和导弹项目都选择了较易入手的液体火箭发动机，而且第一、二代战略导弹都采用了液体火箭发动机，但是随着固体燃料技术的发展，液体燃料火箭发动机逐渐受到冷遇。我国发展了多型固体导弹，并使其主导了战略导弹装备。在1999年和2009年的国庆大阅兵中，战略导弹方队都是固体导弹。但不容忽视的是1984年参加阅兵的多种型号液体导弹在这一时期并没退出，特别是像“东风”5这样的大型导弹始终是中流砥柱。实际上，美国国防部历次的《中国军力报告》在相当长一段时间里只承认“东风”5系列导弹具备打击美国本土的能力。可以看出，液体导弹并不会随着固体导弹的发展而退出历史舞台，那么从技术上看，液体导弹究竟如何呢？
固液燃料导弹技术比较
目前导弹用火箭发动机有液体推进剂和固体推进剂，有时一个导弹上固液发动机兼有。这两种燃料推进形式各有优缺点，这也是两者可以长期共存的原因。两者主要从以下几个方面来比较。
火箭燃料推力：液大，固小通常来说，评价火箭动力装置性能指标有两个：一是比冲，即1千克推进剂能发出的冲量，所谓冲量通俗讲就是发动机的推动能力。它标志着推进剂的能量和发动机对能量的利用程度，取决于推进剂组分的物理化学特性及组分比、燃烧室的压力和喷管的流动特性等，其基本反映的是推进剂效率。另一个评价指标是质量比冲，即1千克动力装置所能发出的冲量。它不仅反映出能量利用的完善程度，还包含了动力装置的结构完善程度，取决于结构材料的性能及结构设计的合理性，反映的基本是发动机效率。所以导弹动力装置既要比冲高，结构质量又要小。有效载荷确定后，导弹射程越大，动力装置的质量占起飞质量的比例越大，中远程导弹可达80%以上，对质量比冲要求就越高。从实验情况看，固体推进剂一般比液体推进剂的比冲低，当前固体推进剂的海平面比冲可达2600米/秒，而液体推进剂可达2 800米/秒。虽然固体推进剂的比冲较液体的要低，但密度较大，导弹携带相同质量的推进剂，占的体积小，因此其体积比冲大，同样冲量的固体火箭发动机尺寸要比液体火箭发动机小。可见从质量和体积两个方面衡量，两者各有优长。
发动机可控性：液佳，固劣我们知道，液体火箭发动机系统的组成包括推进剂贮存输送系统和发动机本体。其工作过程是将推进剂送到燃烧室中，推进剂在燃烧室内进行混合燃烧，完成化学反应，产生高温高压燃气，燃气通过喷管膨胀作功，高速排出，产生推力。在这一过程中，可以利用各种阀门调节燃料流量和速度，达到对推力控制的目的。因此液体发动机的推力调节易于实现，易于满足导弹飞行状态要求，参数随时间变化小，性能参数偏差小，基本上不受环境温度影响。固体发动机难于作到这点，由于固体燃料一旦点燃即很难调节燃烧程度，只能通过预先设计的固体装药孔来控制燃烧面积，从而控制推力，或者直接设计反推力孔或反向辅助发动机，但这又增加了发动机设计复杂程度和总体质量。近来固体发动机也发展了多级推力、多次起动的技术，但实现起来难度较大。因此固体燃料发动机的推力状态控制困难，只能按设计状态工作到结束，参数确定后就难于改变，且飞行中发动机性能偏差大，这给导弹总体设计带来困难。液体发动机则可根据当时的条件，改变推力大小和分段及多次起动，实现多次停车和起动。
结构复杂度：液繁，固简从发动机设计上看，液体发动机结构比固体发动机复杂得多，推进剂系统除贮箱外，还有增压系统、管路系统、输送系统、组分比调节系统等。固体发动机没有这些系统，推进剂直接装填在燃烧室内，不需要专用的推进剂贮箱和复杂的推进剂输送调节系统以及发动机冷却系统，除了喷管的推力向量控制装置外，没有转动的部件。这使固体火箭发动机结构简单，零、组件数量少，可靠性高，现代固体火箭发动机的可靠性已达0.99以上，这是液体火箭发动机无法比拟的，也给导弹的装配和结构布局带来较大方便。但是固体发动机对结构材料性能要求高，要有良好的耐热材料、隔热材料和抗烧材料，增加了结构设计困难。
燃料可储性：液短，固长通常液体推进剂包括燃烧剂和氧化剂，以及改善推进剂某些性能的添加剂，这是火箭发动机的能源和工质。目前导弹用的推进剂多为双组元推进剂，即氧化剂和燃烧剂两组元分别贮存，进入燃烧室后才混合，混合后或自行燃烧或需点火燃烧。除了要求能量高以外，对导弹燃料的要求通常是具备腐蚀性小，沸点高，具有与发动机材料的相容性，贮存性好，以及热稳定和耐冲击、毒性小的特点，以保证使用中的安全。总的来看，液体发动机要比固体发动机的使用复杂，固体火箭发动机的推进剂是预先浇铸或装填的，不需现场加注，可缩短发射准备时间，系统简单可靠性高。固体推进剂在长期贮存中维护使用方便，能长期保持战备状态，发动机起动能在短时间内达到额定推力，这也是地空导弹、反导导弹、反坦克导弹等打击机动目标的导弹多用固体火箭发动机的原因。液体推进剂的运输问题使大型机动战略导弹的通过性和机动性受到限制，因此目前液体导弹多为发射井型战略导弹。近年来发展的可贮存液体推进剂在一个相当宽的温度和压力范围内是稳定的，并与结构材料反应少，允许在封闭容器内贮存较长的时间，使用这种推进剂可有效缩短导弹发射准备时间，且安全性好。俄在上世纪70年代中期即开始使用该技术。该技术除了采用低腐蚀性燃料外，还在导弹燃料储箱内壁镀了一层高分子膜，有效隔绝了燃料与金属壁的接触，而且导弹在出厂前燃料箱严格密封，这样的燃料可以保证5～8年的战备状态。
可操作性：液难，固易由于固体推进剂装在燃烧室内，形成完整的动力装置，平时的维护工作少，发射前不用像液体导弹那样加注、补气测压，减少了准备工作，也减少了大量的地面辅助设备。固体推进剂挥发性小，存放在密闭的燃烧室内不易挥发出有毒、易燃气体，使用方便安全，操作性比液体导弹更好。
设计难度：液低，固高固体燃料发动机的工作时间一般比较短，因此受热部件短时间内高温工作没有冷却系统，特别是喷管受高温、高压、高速气流作用，无法长时间工作，另外受装药尺寸和燃速的限制，燃烧时间不能太长，适于短时间大推力工作。虽然现代固体燃料火箭发动机采用浇铸法制造大型内孔燃烧装药，解决了燃烧室壳体绝热问题，为制造大尺寸、长工作时间和质量轻的燃烧室壳体提供了可能，但这种大比冲工作方式对固体火箭发动机的材料和设计都提出了较高要求，而液体燃料发动机对生产制造材料要求相对较低，这也是大多数国家在火箭和导弹发展初期都从液体燃料发动机着手的根本原因。
受环境影响：液小，固大相对液体燃料发动机而言，固体燃料发动机性能受环境温度的影响较大，固体装药的燃速和力学性能随初温不同而改变。夏季高温，发动机推力增加，工作时间缩短；冬季低温，发动机推力降低，工作时间延长，药柱变脆，要采取保温措施才能满足任务要求。而液体燃料在这方面影响不大，即使有变化也可通过调节燃料流量和流速来调整推力，使其保持稳定。
工作时间：液多，固少前面讲到由于受到受热部件和装药尺寸的限制，固体火箭发动机的燃烧时间不能太长，最长仅为100多秒，但是其具有较大的质量比冲，可在较短时间内将导弹推送到需要的速度，这在过去并没有太多意义，但对突破目前正在快速发展的助推段导弹拦截系统意义重大。例如，俄目前开始扩大服役的“白杨”M最具革命性的改进就是其采用的“速燃技术”，提高了发动机效率，缩短了助推段时间，这在对抗美国的弹道导弹防御系统方面尤为有效。美国将助推段反导拦截列为发展重点，因为这一阶段导弹飞行速度慢，头体未分离情况下目标大，而且弹体的结构强度远比弹头低。而对付这一拦截方式的最有效措施就是缩短助推段飞行时间、降低头体分离的高度，这需要导弹在较短时间内迅速达到将载荷投送出去的速度，因此就要求火箭发动机功率要足够大，就要增大发动机喷管喉部内径，并加快药柱的燃速。为此，俄工程人员开发的“速燃助推技术”可在很短时间内将发动机功率提高到最大，使导弹能在飞行初始段很快加速，比同样条件下的液体导弹加速时间缩短近一半。以液体的SS-18导弹和固体的MX导弹为例，助推段工作时间和关机高度分别是300秒、400千米和180秒、200千米。而如果这一时间缩短到70～80秒，高度降至100千米，就可有效对抗反导系统在助推段对导弹的攻击。这是因为它可以降低导弹尾焰的红外辐射，增大预警卫星上红外探测器发现导弹和对其定位的难度，甚至使其来不及探测和定位。同时，在大气层内关机，稠密的地球大气层可成为一道天然屏障，阻隔激光和粒子束武器的攻击。
需要指出的是，上述优缺点的分析，是随着技术的发展而变化的。上世纪50年代发展的战略导弹，大都是液体发动机，因为导弹的制导精度差，为保证一定杀伤威力，采用了大当量的弹头，控制设备的尺寸和质量大，要求火箭有较大的运载能力，所以就突出了对推进剂的比冲要求。而当时固体推进剂比冲低，燃速高，满足不了运载能力和飞行状态控制的要求，故只能在助推器或小型导弹上应用。随着技术的发展，高比冲、低燃速的固体推进剂发展很快，低密度高强度新型复合材料在固体发动机上的应用，高精度的控制系统，小型化设备和小型化的核弹头等，对火箭的运载能力降低了要求，因而突出了固体推进剂的优点，使之应用越来越广泛，60年代后期发展的导弹，包括机动飞行的导弹，多为固体导弹。但是进入新世纪后，液体导弹仍担负许多国家的战略威慑主力，有着技术、经济、需求，甚至传统等原因。
液体导弹“经久不衰”的原因
从以上优缺点的比较来看，固体导弹总体上保持了较高优势，但作为军事决策者而言，某种导弹类型的选择需要综合考虑多方面因素。
推力大，远程投送能力更强从液体导弹发展回流情况看，目前的几个主要型号均为大型导弹，因为只有大型导弹才能充分发挥液体燃料火箭发动机推力大，投送能力强的特点，弥补大型固体导弹的空白，例如，俄新型的“突破”重型液体导弹能携带10个分弹头，总战斗载荷高达4.4吨。与目前“白杨”M导弹1.32吨战斗载荷相比，投送能力明显提高。4.4吨载荷分配到10个分弹头的载荷容量为440千克，这可以使单个子弹头的爆炸威力达到500千吨TNT当量，即使使用诱饵等载荷，也可以确保单个弹头威力保持在350千吨TNT当量。这一载荷能力和爆炸威力与SS-18相似，而且射程将达到SS-18的11500千米的水平，这将是俄陆基导弹中投送能力最强的水平，可以打击几乎全球任何地方的目标。此外，较高的载荷能力也使导弹搭载与运用载荷更加灵活，可应对未来出现的更复杂的战术情况。早在2004年3月的俄军战略大演习中，俄军就曾宣布试验了一种足以在外层空间和大气层中穿梭自如的“高超音速飞行器”。俄前国防部长谢尔盖耶夫在离职之前也曾暗示过这种新武器。他说，这种新弹头与普通弹头的区别是：可以在最后阶段独立地按原先设定的程序或者在飞到敌方境内后调整飞行轨迹。除俄外，世界上没有任何一个国家拥有比音速更快的此类导弹。实际上，SS-18导弹在发展中曾多次试验过同时搭载3个机动式弹头的方案，SS-18退役后俄没有类似的投送平台，而“突破”无疑将成为俄全导式子弹头和高超声速飞行器的理想投送工具。
利用现有设施，发展成本低大型导弹的发展成本很大一部分是配套保障设施的建设费用，例如美国超级加固导弹发射井的建设成本几乎与导弹不相上下，因此在新型号导弹发展中保障设施经济成本是不得不考虑的重要因素之一。从目前液体导弹发展计划和实际部署情况看，大部分导弹部署都充分利用了已有配套保障设施，部署在冷战时期建设的发射井中。实际上，俄“突破”导弹的部署计划就是部署在现有的SS-18发射井中，而SS-18发射井又是利用原SS-9导弹发射井改造加固而成的。由于SS-18导弹采用了地下井冷发射技术，因此将排烟道的空间浇注上水泥，缩小了发射井的直径，显著提高了原有发射井的抗打击能力，而“突破”导弹无疑将再为加固发射井阵地提供出足够的空间，将再次提高阵地的抗打击能力。这与俄当前的经济颓势状况也有一定关系。虽然俄制定了雄心勃勃的战略武器发展计划，但是近几年来，国际能源价格低迷导致俄经济萎靡，国防预算增长乏力，因此发展大型液体导弹这样的廉价高效战略武器就不难理解了。
发展部署周期短，弥补打击能力空白期从前面分析可以看出，液体导弹技术门槛低、生产工艺简单，这使其设计发展和生产部署的周期要比固体导弹短，而在战略力量发展的某些过渡阶段，这一特性就尤为重要。苏联解体后，俄战略导弹研制几乎停滞，直到1997年才有“白杨”M（SS-27）服役，而且部署远低于最初计划。海基固体导弹“布拉瓦”的发展更是屡试屡败，而同时俄冷战时期的导弹库也由于缺乏维护资金无情地老化，这将使俄在未来10～20年甚至更长时间里呈现战略威慑空白期。俄政治军事学院院长认为，即使现行的固体导弹技术先进，但由于数量差距太大，仍无力阻止俄核力量的衰落，因此急需一种能快速壮大俄战略威慑能力的武器。而重型液体导弹不但可以使俄弹头保有量快速增加，而且液体导弹研制和生产的成本周期都要小得多，使俄在必要时可以快速提高产量，应对不时之需，因此俄将发展液体导弹作为挽救战略威慑能力的主要措施：一是将“轻舟”导弹改造为新型的“蓝天”和“莱涅尔”，以弥补“布拉瓦”试验失败造成的海基威慑空白；二是延长液体导弹服役期，将SS-18和SS-19均延长服役到2026年；三是宣布发展新型液体燃料洲际导弹。按照俄国家武器装备计划，2020年前俄将投入770亿卢布用于所有新型导弹系统的批量生产，其中150亿卢布（约合2.8亿美元）用于生产厂的现代化改造，这笔投入的一半，即75亿卢布将用于克拉斯诺亚尔斯克机械制造厂的设备改造，以生产新型液体导弹。俄计划到2013年前将液体导弹的生产率大幅提高，从目前年产5～7枚提高到20～30枚，并计划在2020年前批量生产新型液体导弹。届时，俄将再次恢复原来的陆基力量结构，加之现有“白杨”M和“亚尔斯”等陆基固体导弹发展计划，俄战略威慑能力将全面恢复。
◎俄SS-N-23液体燃料潜射导弹从水面发射的场面
延续液体燃料特有技术，优化战略导弹格局世界导弹领域的固液燃料之争由来已久，西方几乎毫无例外地采用了固体导弹，而俄长期坚持液体导弹的发展。长期以来，“固液导弹之争”就困扰着俄军工界和军方，这些分歧在俄海基导弹“布拉瓦”与“轻舟”系列之间就存在，实际上即使采用固体燃料的“布拉瓦”导弹完全成功，也无法弥补美俄在固体导弹技术方面的差距。随着公路和井射“白杨”M的部署，液体导弹按原有计划将逐步退出俄导弹舞台，这在俄国内引起巨大争议，因为俄经过长期发展与实践，液体导弹技术并不逊色于固体导弹，如俄“轻舟”系列导弹在投送载荷和导弹推重比方面与西方的“三叉戟”系列并无太大差距。目前，俄新近服役的洲际导弹都是固体燃料的，但“白杨”M和“亚尔斯”等推力和载荷都比较小，与此同时，退役的导弹都属重型，而且退的多，增的少，这大幅限制了俄核威慑能力。而通过液体导弹的保持与发展，将可能形成“白杨”M与“突破”构成的“轻重搭配”陆基导弹结构，“布拉瓦”和“莱涅尔”构成的“固液搭配”海基导弹结构，最终完成全面向固体导弹的过渡。
新技术使液体导弹恢复近年来，随着导弹新材料、特种燃料和实现燃料优化控制的计算机技术的发展，液体导弹逐步克服了一些固有缺陷。俄国家导弹中心称，“突破”导弹重量只有其前身SS-18的一半不到，而投送能力相当，这不能不说是得益于俄导弹技术的进步。估计，其在研制中将大量使用陆基“白杨”M和“莱涅尔”导弹发展与改进中的复合材料，以及高燃烧值的新型燃料。此外，近年来，液体导弹随着运载火箭技术的提高，如高压补燃、大面积比喷管、稳定燃烧、计算机控制等技术的进展，也大量采用了高转速涡轮泵、闭式动力循环、发动机喷管面积优化技术，使火箭发动机在性能、寿命、可靠性、工作适应性、可维护性等方面获得大幅提高，这成为新型液体导弹发展的基础。
作者：王继新
来源：《兵器知识》2015年第11期
