【重装上阵】弹道导弹抗核加固技术

■    文/丁文东 王继新

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选择同类型武器对抗是武器发展与使用的基本原则，因此以核制核也是对抗核武器的制胜法宝。从冷战到现在，美国和苏联（俄）无不如此，在核爆环境下成功实现导弹突防成为导弹设计者必须解决的难题。弹道导弹在作战飞行中，可能面临严峻的大气层内或大气层外核爆炸环境，这对弹道导弹弹体和弹头的性能和生存带来巨大挑战，因此，外军十分重视弹道导弹的抗核加固设计和改进。设计者必须在尽可能小的有效载荷和尽可能坚固的防护措施之间取舍平衡，这就是方兴未艾的导弹抗核加固技术。

恶魔之间的对抗——弹道导弹核爆环境分析

利用核武器爆炸阻滞核导弹是未来战场上很可能面临的情况。核武器爆炸会产生空气冲击波、核辐射、电磁脉冲和灰尘，弹道导弹在飞行全程都可能遭遇核爆环境，只是面临的核爆效应和生成物有所不同。其中核辐射、电磁脉冲效应和碎片在大气层内和大气层外都可能存在，空气冲击波、灰尘等只有大气层内会产生。核爆中的辐射主要表现为X射线、γ射线、中子辐射。上述效应与生成物就如一个个武林高手，都可能对导弹的准确打击和生存造成影响。

“无影手”之X 射线效应核爆炸能量有很大一部分转化为了X射线，它就像武侠小说中的“无影手”，杀人于无形。这些射线在大气层内通过加热空气，产生了我们看到的火球。而在太空中没有空气等介质，它只能表现为辐射能，也就没有火球扩散。太空中核爆炸的X光闪耀非常短，虽然能量相对低，但辐射的瞬间能量非常大。通常，1千吨当量核爆可以释放1万亿卡能量，在真空中，大约85%的核当量以X光形式释放。能量较低的（以10 千电子伏特为界）X光被称为软X光，其能量主要沉积在弹头壳体表面，形成高温高压，既产生烧蚀作用，又产生可传导到弹头内部的热量。能量较高的被称为硬X光，其穿透能力比较强。硬X光大部分侵入弹头，会造成核装药“失效”和内部冲击。这种辐射可对导弹材料和结构两个方面产生影响。

——材料破坏。X射线在导弹结构中的自由程很短，大量能量瞬间沉积在壳体表面的薄层内，在材料表面形成由外到内的温度和压力变化，由于内外膨胀大小不一样，导致绝热层膨胀，形成向内传播的压力波。在大气层外由于外边是真空，迎光面外压为零，迎光面附近的材料会因绝热膨胀作用而迅速向真空喷溅，在材料内又形成一个紧随压力波之后的稀疏波。当弹头转到背光面时，高压迅速降低，形成反射稀疏波。它与来自迎光面的稀疏波相互作用，使材料受到拉伸。当拉伸作用力超过材料动态断裂强度时，材料会分层裂开，最终使材料发生层裂破坏，这就像我们在转炉上用烈火烤鸭时，表皮会迅速爆裂一样。这种爆裂可能使外壳爆炸脱离再入载具，还将延伸到弹头内部，对其结构造成损害。X射线对导弹推进系统的破坏来自X射线进入燃料室和发动机内部后的加热以及随之而产生的膨胀等。如果X射线剂量很大的话，结构的表面材料会受到X射线的照射而汽化，从而破坏结构。

其实两种X射线的破坏就像电烤箱和微波炉的区别，一种是通过外部加热，将热量传导到内部；另一种是里外同时加热。这一过程时间非常短，只有微秒量级，可以瞬间将高速飞行的导弹破坏。

——结构破坏。在发生材料破坏的过程中，壳体表面会发生汽化和喷溅，形成向壳体内部的挤压和振动力，会引起弹头结构整体的反复变形和破坏。对于固体火箭发动机来说，X射线还可能引起固体推进剂的化学变化，甚至可能导致推进剂的过早点火。这种响应时间也非常短，大约为毫秒量级，这将使导弹所有发动机都点燃，成为一捆四面喷火的“二踢脚”。

X光辐射的影响取决于弹头结构强度，辐射强度在每平方厘米3卡左右时就会对弹头造成影响，辐射强度达到每平方厘米6卡时，就可能燃烧。虽然可以加固导弹和弹头来抗御X光辐射，但会使核弹头变重，大幅减少其射程。通常，加固到每平方厘米抗辐射强度100卡的弹头，就超过了初级导弹与核国家的能力，其射程就无法对外构成威胁了。1千吨当量核爆在拦截普通弹头时的作用范围超过1.5千米，对“完全加固的”弹头拦截范围缩小到250米。

■在复杂环境下再入大气层的“和平卫士”分导式多弹头想象图

 “化骨绵掌”之中子效应核爆产生的中子效应也会对核弹头产生较大影响，特别是专门为生成中子效应而设计的核弹头。众所周知，核武器爆炸需要裂变连锁反应，中子可以激发__这种连锁反应。核爆中的中子闪耀很密集，能引起核武器的铀或钚发生裂变。虽然这种裂变反应不至于导致核爆，但这些核反应将释放出足够的能量，加热精确制造的核武器装置的零部件，导致核爆当量降低，甚至无法正常起爆。因为如果温度上升的足够高，弹芯中的铀或钚材料强度会很快降低，体积同时会变大，从而破坏核材料部件的固定件，使其松动甚至脱离。再入载具的内部离心力还可能加速这种材料变形，最终导致其无法引爆。对于1千吨当量的核爆炸，常规裂变装置的中子致命范围可能是200米。

“六脉神剑”之核电磁脉冲核爆产生的电磁脉冲可对弹上电子设备造成破坏。大气层内核电磁脉冲只在几千米内起作用，这一距离与其它核爆效应相比可以不考虑。而在高空（40 千米）其强度高、范围广，可以达到几十到几千千米，这一范围内其它效应影响较小，因此其危害相对较大。核电磁脉冲影响时间很短，通常只有几百纳秒。

此外，核爆产生的灰尘和碎片都可能在发射区或再入区对导弹弹体或弹头造成影响。核爆灰尘可能增加弹头的烧蚀，这就好像坚固的铁钎在沙土中插入会使其表面磨损、磨光一样。而弹头再入是在10余倍音速的高温环境下进行的，这种磨损相当于数千次的插入，铁棒也能磨成针。发射过程中灰尘可能影响到导弹的电气系统性能。例如，美国“民兵”3导弹在试验中失败过八次，其中三次是由于制导控制系统微型电路中的“微粒玷污”引起的。

针对以上核爆环境的影响，外军在弹道导弹设计与改进中采取了不同措施，有效保证了导弹性能。

重装上阵——弹道导弹抗核加固技术措施

“铁布衫”——弹体结构加固外军为抗御核爆效应与生成物对导弹弹体的影响，主要采用了局部加固设计。一方面需要增强导弹对核爆炸产生的灰尘和碎片的防护能力，另一方面也是为了屏蔽电磁脉冲和X射线。例如，美国在“民兵”2导弹上尝试了部分抗核加固技术，在“民兵”3导弹设计中则全面采用了这些技术。为使推进剂系统不致遭到X射线的破坏，“民兵”3导弹主要采用了屏蔽方法，也就是用一层能吸收X射线的材料（高原子量）将组件屏蔽起来。目前可能采用的屏蔽层就是把一薄层高原子量材料（碳化钽）喷涂在一层多孔的复合材料上，前者用来减小进入结构的X射线通量，后者用来衰减脉冲载荷，即用作应力衰减层。此外，美国还在多个部件上采用了局部加固的措施：一是对第一、二级级间段的铝合金蒙皮加厚，以增加抗X射线辐射能力；二是在比较敏感的部位（如推力终止机构等）增设了一个钛合金或铝合金的屏蔽层（保护斜板），提高其结构强度和抗X射线能力；三是把原先采用铝合金的头部整流罩结构更换为钛合金结构，提高其抗冲击波和粒子云烧蚀能力；四是在铝合金电缆罩上增加一层钛合金防护结构，提高其强度。法国在其最新的潜射弹道导弹M5的设计中，不但对重要系统进行了封闭和屏蔽，还采用了附加涂层的方式，以防御X射线的影响。

■ 经过加固设计的“民兵”2导弹弹头外壳

■技术人员正在检查经过加固的“民兵”3导弹的制导组件

“金钟罩”——电子系统加固弹道导弹的弹上电子元器件及其组成的电子线路、设备和系统处在核辐射（中子、γ）和电磁脉冲环境中，性能会退化，甚至失效，这就如我们的手机在电磁炉的强电磁环境中可能损坏一样。电子系统加固设计包括电子元器件加固、电子系统抗辐射加固和抗电磁脉冲加固。外军常采用的电子系统加固设计方法有平衡法、屏蔽法、回顾法、冗余法等。具体防护措施主要有几种。一是采用加固的电子元件和组件。例如，“民兵”2导弹研制型采用了D37B型计算机，而作战型采用了抗核辐射加固的D37C型计算机，“民兵”3的NS-20制导控制系统采用了抗核辐射加固能力更强的D37D型计算机。“和平卫士”制导系统装在第四级的抽屉式盒中，便于屏蔽和加固，这就像功夫中的“金钟罩”，可以隔离开外界的各种打击。此外，“民兵”3和“和平卫士”导弹均采用镀线存储器，具有较强的抗核电磁脉冲功能，其它元器件的筛选标准也相应提高。“三叉戟”导弹制导控制系统控制电路中则采用体积小、质量更轻的微电子电路。而为了抗核爆炸效应，“三叉戟”导弹电路设计中使用了13种形式的抗核加固集成电路。二是屏蔽电磁脉冲，使电磁脉冲的射频能量衰减到可以接受的程度。“民兵”3导弹各级的电子组件及电缆都设计为可屏蔽电磁脉冲方式，在组件的范围内用金属罩把电缆和电子组件屏蔽起来。其NS-20制导系统周围装有电磁脉冲屏蔽层。三是采用回避技术。回避技术是通过测量核环境的最低极限，并在超过__此极限时迅速关闭制导和控制系统的敏感电路，在威胁过去以后再使电路接通。“民兵”3导弹在制导舱口装配了两个环境敏感器，可在核爆瞬时关闭敏感电路，以防核辐射和电磁脉冲效应破坏，保护有关的电路。由于采用回避技术有可能使性能有所下降，因此，这种办法只有在系统的全面加固还不足以抵抗所有核环境因素时才会使用。

“铁头功”——弹头加固由于导弹弹头在核爆条件下内部受各种应力更加复杂，外部飞行和再入环境更加恶劣，因此需要对其结构和外形进行加固，需要练就高深的“铁头功”。

弹头的热防护方案与总体方案密不可分，除了需要具有较强的耐烧蚀能力外，还要能经受高空核拦截环境，具有良好的抗核功能，特别是能抗X射线所引起的高热环境。“民兵”3导弹再入体外形与“民兵”2差别较大，主要就是考虑到了抗核爆再入问题。此外，“和平卫士”导弹弹头内部支撑结构呈圆盘形，用复合材料制作，内部有内外圆形抗扭结构，中间用9根辐条支臂加强，电缆则采用抗核加固屏蔽电缆，敷设在第四级中央部位，尽可能地设计在不易受辐射影响的中间部位。此外，为抵御核爆环境中的碎片和灰尘等对再入体的侵蚀，其外壳设计与热防护设计融为了一体。对于子弹头，外军主要采用了加固电子线路及对电子组件进行屏蔽的方式进行加固。

此外，核爆炸的灰尘、冲击波及碎片对弹体及弹头的影响通常不及再入热环境，因此导弹在设计中通常利用热防护技术部分替代了对上述核爆效应及生成物的防护。

重装之道——弹道导弹抗核加固技术的特点

外军弹道导弹抗核加固技术是在逐步摸索中发展起来的，与其它技术发展相比，有着自身特点。这些方法和特点就如高手习武练功一样，也要深谙内功，且常习不辍。

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■美军士兵正在吊装“民兵”3导弹的子弹头

“强健筋骨”——以新材料为技术发展基础外军弹道导弹抗核加固设计基本都是以新材料为基础，这是解决抗核加固问题的根本。例如，“民兵”3导弹

在抗X 射线的屏蔽层设计中，就采用了高原子量材料（碳化钽）。“三叉戟”导弹第三级设计中采用了钽和铌合金制成的可延伸式喷管，以防止辐射造成的

点火失效。

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■技术人员监修“和平卫士”导弹的分离盘

“重甲强胄”——复合结构设计是新的发展方向为了解决X射线辐射形成的弹头和弹体表面温度梯度形成的结构破坏，外军在导弹设计中大量采用了复合结构设计。例如，新型导弹中的多层复合结构加固套由迎光层、屏蔽层、衰减层和过渡层组成。迎光层的作用是尽量吸收X射线，但不产生过高的热激波峰压和严重喷溅，同时又不让太多的X射线沉积到屏蔽层去。屏蔽层的作用是尽量多地吸收由迎光层漏入的X射线，但要保证不使过高压力传入内部。衰减层的作用是尽量降低由迎光层和屏蔽层传入的热激波峰压，使传入弹头壳体内部的峰压小于允许值。另一种多孔变密度加固套是密度从外到里逐渐加大的结构，吸收X射线的能力也从外到里逐步加大。由于X射线被分层吸收，降低了材料内部的温度梯度，因而起到了很好的结构加固作用。目前许多国家都在对这两种结构设计进行试验与论证。

“步步为营”——以逐步改造为技术发展途径由于新材料和新结构将带来导弹总体结构设计的额外困难，因此技术风险较大，而且抗核加固也是上世纪70年代后出现的新问题，因此外军通常采用在新型导弹定型后逐步对其进行抗核加固改造的技术发展途径。例如，具有较强抗核加固能力的美国“民兵”3导弹就是在“民兵”2导弹基础上改进而来的，其抗核加固能力也是逐步更新和提高。这种做法降低了导弹总体技术风险，使抗核加固技术得以平稳发展。

“拳不离手”——以地面分系统模拟试验为主由于导弹总体系统难以进行真实核环境试验，因此外军在技术试验中大多选择了地面分系统模拟试验方式。例如，美国在“民兵”3导弹抗核加固技术发展时，没有现成的地面模拟试验设备，所以主要通过多次地下核试验检验组件或分系统，并在地面模拟试验设备建成后又补充进行了一些试验，如导弹电子组件和线路电磁脉冲试验、辐射试验等。1973年还发射了1枚“民兵”3专用试验弹——“塔特”（TATER），用来考核经过加固的导弹抗灰尘和碎片的能力。外军地面模拟试验主要有中子辐照试验、γ辐照试验、电磁脉冲试验和核效应试验等。

目前，外军对导弹结构加固设计也主要采用地面试验。为验证加固套或加固层对贮存、运输、飞行和核环境的适应性，通常进行地面模拟试验。模拟的环境条件主要是地面温度、湿度、振动、冲击，主动段和再入段温度、烧蚀、冲击、振动，以及中段X射线。主要试验项目有静态辐射加热试验；等离子电弧加热试验；风洞试验；化爆试验和核效应试验等。

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