液體燃料戰略導彈為何經久不衰？

王繼新

液體燃料彈道導彈的“逆流”

眾所周知，最早的導彈武器采用液體燃料，而且幾乎所有國家的早期彈道導彈也都使用液體燃料，20世紀50年代中期出現較高能量和良好力學性能的固體復合推進劑和裝藥技術后，液體燃料導彈（以下簡稱液體導彈）逐漸勢微，許多國家大力發展固體燃料導彈（以下簡稱固體導彈），但液體導彈始終沒有退出舞臺，在進入新世紀后，許多導彈大國掀起了一股液體導彈的“逆襲”風。

俄羅斯俄羅斯戰略導彈無論是陸基還是海基，液體導彈都曾占據絕對地位，但是從上個世紀80年代開始，隨著公路機動的SS-25和潛射SS-N-20導彈的服役，液體導彈在俄開始走下坡路。直到本世紀前10年，俄所有的戰略導彈發展項目幾乎都是固體導彈，例如公路機動的“白楊”M、“亞爾斯”和潛射的“布拉瓦”等，因此當2011年俄突然宣布其正在開發一款大型液體戰略導彈時外界都大吃一驚。實際上，俄一直沒放棄液體導彈，冷戰遺留的“撒旦”SS-18和“匕首”SS-19井射導彈，以及潛射的“輕舟”導彈仍是俄戰略核力量的主體。特別是新世紀初，俄為彌補“布拉瓦”試驗屢次失敗造成的服役期一再推遲問題，在“輕舟”基礎上發展了新型的“藍天”液體導彈，并在其基礎上研制了“萊涅爾”（“大渡輪”）潛射導彈，裝備了改進的突防裝置和威力更高的新型彈頭，2011年成功進行飛行試驗。而2011年透露的未來大型液體導彈將取代目前的SS-18，這一導彈項目已列入俄國家武器裝備計劃，導彈名稱為“突破”（或“必然”）。2011年4月，俄戰略火箭兵原總參謀長曾透露，俄新型井基重型液體燃料洲際導彈將于2018年前裝備，隨后俄國防部在2011年底確定了研制新式重型洲際導彈任務，納入2020年國家武器計劃。從服役情況看，該大型液體導彈與同為克拉斯諾亞爾斯克機械制造廠生產的“藍天”和“萊涅爾”導彈，將使俄戰略導彈核力量主體再次轉移到液體導彈上來，并可能維持一定時間。

美國美國是固體燃料技術最先進的國家，無論是其陸基導彈還是潛射導彈都已經完全過渡為固體燃料，但是其仍未放棄液體導彈技術，特別是近年來開始在一些領域擴大液體導彈技術的應用。早在2002年4月美國導彈防御局就責成TRW公司為其設計新型液體燃料推進器靶彈，新的靶彈推進器計劃將增強美國導彈防御系統的試驗工作。采用液體燃料火箭發動機設計導彈防御試驗靶彈，充分利用了液體燃料發動機易于推力控制的特點，可使靶彈彈道更接近目標導彈，充分試驗攔截導彈的性能。此外，美國還利用快速空間響應計劃等項目保留了液體火箭發動機技術。

從全球其它國家的導彈發展情況來看，像印度、朝鮮和伊朗等新興導彈國家在相當長的時間里還停留在液體導彈為主體的狀態。我國與其它國家一樣，最早的運載火箭和導彈項目都選擇了較易入手的液體火箭發動機，而且第一、二代戰略導彈都采用了液體火箭發動機，但是隨著固體燃料技術的發展，液體燃料火箭發動機逐漸受到冷遇。我國發展了多型固體導彈，并使其主導了戰略導彈裝備。在1999年和2009年的國慶大閱兵中，戰略導彈方隊都是固體導彈。但不容忽視的是1984年參加閱兵的多種型號液體導彈在這一時期并沒退出，特別是像“東風”5這樣的大型導彈始終是中流砥柱。實際上，美國國防部歷次的《中國軍力報告》在相當長一段時間里只承認“東風”5系列導彈具備打擊美國本土的能力。可以看出，液體導彈并不會隨著固體導彈的發展而退出歷史舞臺，那么從技術上看，液體導彈究竟如何呢？

固液燃料導彈技術比較

目前導彈用火箭發動機有液體推進劑和固體推進劑，有時一個導彈上固液發動機兼有。這兩種燃料推進形式各有優缺點，這也是兩者可以長期共存的原因。兩者主要從以下幾個方面來比較。

火箭燃料推力：液大，固小通常來說，評價火箭動力裝置性能指標有兩個：一是比沖，即1千克推進劑能發出的沖量，所謂沖量通俗講就是發動機的推動能力。它標志著推進劑的能量和發動機對能量的利用程度，取決于推進劑組分的物理化學特性及組分比、燃燒室的壓力和噴管的流動特性等，其基本反映的是推進劑效率。另一個評價指標是質量比沖，即1千克動力裝置所能發出的沖量。它不僅反映出能量利用的完善程度，還包含了動力裝置的結構完善程度，取決于結構材料的性能及結構設計的合理性，反映的基本是發動機效率。所以導彈動力裝置既要比沖高，結構質量又要小。有效載荷確定后，導彈射程越大，動力裝置的質量占起飛質量的比例越大，中遠程導彈可達80%以上，對質量比沖要求就越高。從實驗情況看，固體推進劑一般比液體推進劑的比沖低，當前固體推進劑的海平面比沖可達2 600米/秒，而液體推進劑可達2 800米/秒。雖然固體推進劑的比沖較液體的要低，但密度較大，導彈攜帶相同質量的推進劑，占的體積小，因此其體積比沖大，同樣沖量的固體火箭發動機尺寸要比液體火箭發動機小。可見從質量和體積兩個方面衡量，兩者各有優長。

發動機可控性：液佳，固劣我們知道，液體火箭發動機系統的組成包括推進劑貯存輸送系統和發動機本體。其工作過程是將推進劑送到燃燒室中，推進劑在燃燒室內進行混合燃燒，完成化學反應，產生高溫高壓燃氣，燃氣通過噴管膨脹作功，高速排出，產生推力。在這一過程中，可以利用各種閥門調節燃料流量和速度，達到對推力控制的目的。因此液體發動機的推力調節易于實現，易于滿足導彈飛行狀態要求，參數隨時間變化小，性能參數偏差小，基本上不受環境溫度影響。固體發動機難于作到這點，由于固體燃料一旦點燃即很難調節燃燒程度，只能通過預先設計的固體裝藥孔來控制燃燒面積，從而控制推力，或者直接設計反推力孔或反向輔助發動機，但這又增加了發動機設計復雜程度和總體質量。近來固體發動機也發展了多級推力、多次起動的技術，但實現起來難度較大。因此固體燃料發動機的推力狀態控制困難，只能按設計狀態工作到結束，參數確定后就難于改變，且飛行中發動機性能偏差大，這給導彈總體設計帶來困難。液體發動機則可根據當時的條件，改變推力大小和分段及多次起動，實現多次停車和起動。

結構復雜度：液繁，固簡從發動機設計上看，液體發動機結構比固體發動機復雜得多，推進劑系統除貯箱外，還有增壓系統、管路系統、輸送系統、組分比調節系統等。固體發動機沒有這些系統，推進劑直接裝填在燃燒室內，不需要專用的推進劑貯箱和復雜的推進劑輸送調節系統以及發動機冷卻系統，除了噴管的推力向量控制裝置外，沒有轉動的部件。這使固體火箭發動機結構簡單，零、組件數量少，可靠性高，現代固體火箭發動機的可靠性已達0.99以上，這是液體火箭發動機無法比擬的，也給導彈的裝配和結構布局帶來較大方便。但是固體發動機對結構材料性能要求高，要有良好的耐熱材料、隔熱材料和抗燒材料，增加了結構設計困難。

燃料可儲性：液短，固長通常液體推進劑包括燃燒劑和氧化劑，以及改善推進劑某些性能的添加劑，這是火箭發動機的能源和工質。目前導彈用的推進劑多為雙組元推進劑，即氧化劑和燃燒劑兩組元分別貯存，進入燃燒室后才混合，混合后或自行燃燒或需點火燃燒。除了要求能量高以外，對導彈燃料的要求通常是具備腐蝕性小，沸點高，具有與發動機材料的相容性，貯存性好，以及熱穩定和耐沖擊、毒性小的特點，以保證使用中的安全。總的來看，液體發動機要比固體發動機的使用復雜，固體火箭發動機的推進劑是預先澆鑄或裝填的，不需現場加注，可縮短發射準備時間，系統簡單可靠性高。固體推進劑在長期貯存中維護使用方便，能長期保持戰備狀態，發動機起動能在短時間內達到額定推力，這也是地空導彈、反導導彈、反坦克導彈等打擊機動目標的導彈多用固體火箭發動機的原因。液體推進劑的運輸問題使大型機動戰略導彈的通過性和機動性受到限制，因此目前液體導彈多為發射井型戰略導彈。近年來發展的可貯存液體推進劑在一個相當寬的溫度和壓力范圍內是穩定的，并與結構材料反應少，允許在封閉容器內貯存較長的時間，使用這種推進劑可有效縮短導彈發射準備時間，且安全性好。俄在上世紀70年代中期即開始使用該技術。該技術除了采用低腐蝕性燃料外，還在導彈燃料儲箱內壁鍍了一層高分子膜，有效隔絕了燃料與金屬壁的接觸，而且導彈在出廠前燃料箱嚴格密封，這樣的燃料可以保證5～8年的戰備狀態。

可操作性：液難，固易由于固體推進劑裝在燃燒室內，形成完整的動力裝置，平時的維護工作少，發射前不用像液體導彈那樣加注、補氣測壓，減少了準備工作，也減少了大量的地面輔助設備。固體推進劑揮發性小，存放在密閉的燃燒室內不易揮發出有毒、易燃氣體，使用方便安全，操作性比液體導彈更好。

設計難度：液低，固高固體燃料發動機的工作時間一般比較短，因此受熱部件短時間內高溫工作沒有冷卻系統，特別是噴管受高溫、高壓、高速氣流作用，無法長時間工作，另外受裝藥尺寸和燃速的限制，燃燒時間不能太長，適于短時間大推力工作。雖然現代固體燃料火箭發動機采用澆鑄法制造大型內孔燃燒裝藥，解決了燃燒室殼體絕熱問題，為制造大尺寸、長工作時間和質量輕的燃燒室殼體提供了可能，但這種大比沖工作方式對固體火箭發動機的材料和設計都提出了較高要求，而液體燃料發動機對生產制造材料要求相對較低，這也是大多數國家在火箭和導彈發展初期都從液體燃料發動機著手的根本原因。

受環境影響：液小，固大相對液體燃料發動機而言，固體燃料發動機性能受環境溫度的影響較大，固體裝藥的燃速和力學性能隨初溫不同而改變。夏季高溫，發動機推力增加，工作時間縮短；冬季低溫，發動機推力降低，工作時間延長，藥柱變脆，要采取保溫措施才能滿足任務要求。而液體燃料在這方面影響不大，即使有變化也可通過調節燃料流量和流速來調整推力，使其保持穩定。

工作時間：液多，固少前面講到由于受到受熱部件和裝藥尺寸的限制，固體火箭發動機的燃燒時間不能太長，最長僅為100多秒，但是其具有較大的質量比沖，可在較短時間內將導彈推送到需要的速度，這在過去并沒有太多意義，但對突破目前正在快速發展的助推段導彈攔截系統意義重大。例如，俄目前開始擴大服役的“白楊”M最具革命性的改進就是其采用的“速燃技術”，提高了發動機效率，縮短了助推段時間，這在對抗美國的彈道導彈防御系統方面尤為有效。美國將助推段反導攔截列為發展重點，因為這一階段導彈飛行速度慢，頭體未分離情況下目標大，而且彈體的結構強度遠比彈頭低。而對付這一攔截方式的最有效措施就是縮短助推段飛行時間、降低頭體分離的高度，這需要導彈在較短時間內迅速達到將載荷投送出去的速度，因此就要求火箭發動機功率要足夠大，就要增大發動機噴管喉部內徑，并加快藥柱的燃速。為此，俄工程人員開發的“速燃助推技術”可在很短時間內將發動機功率提高到最大，使導彈能在飛行初始段很快加速，比同樣條件下的液體導彈加速時間縮短近一半。以液體的SS-18導彈和固體的MX導彈為例，助推段工作時間和關機高度分別是300秒、400千米和180秒、200千米。而如果這一時間縮短到70～80秒，高度降至100千米，就可有效對抗反導系統在助推段對導彈的攻擊。這是因為它可以降低導彈尾焰的紅外輻射，增大預警衛星上紅外探測器發現導彈和對其定位的難度，甚至使其來不及探測和定位。同時，在大氣層內關機，稠密的地球大氣層可成為一道天然屏障，阻隔激光和粒子束武器的攻擊。

需要指出的是，上述優缺點的分析，是隨著技術的發展而變化的。上世紀50年代發展的戰略導彈，大都是液體發動機，因為導彈的制導精度差，為保證一定殺傷威力，采用了大當量的彈頭，控制設備的尺寸和質量大，要求火箭有較大的運載能力，所以就突出了對推進劑的比沖要求。而當時固體推進劑比沖低，燃速高，滿足不了運載能力和飛行狀態控制的要求，故只能在助推器或小型導彈上應用。隨著技術的發展，高比沖、低燃速的固體推進劑發展很快，低密度高強度新型復合材料在固體發動機上的應用，高精度的控制系統，小型化設備和小型化的核彈頭等，對火箭的運載能力降低了要求，因而突出了固體推進劑的優點，使之應用越來越廣泛，60年代后期發展的導彈，包括機動飛行的導彈，多為固體導彈。但是進入新世紀后，液體導彈仍擔負許多國家的戰略威懾主力，有著技術、經濟、需求，甚至傳統等原因。

液體導彈“經久不衰”的原因

從以上優缺點的比較來看，固體導彈總體上保持了較高優勢，但作為軍事決策者而言，某種導彈類型的選擇需要綜合考慮多方面因素。

推力大，遠程投送能力更強從液體導彈發展回流情況看，目前的幾個主要型號均為大型導彈，因為只有大型導彈才能充分發揮液體燃料火箭發動機推力大，投送能力強的特點，彌補大型固體導彈的空白，例如，俄新型的“突破”重型液體導彈能攜帶10個分彈頭，總戰斗載荷高達4.4噸。與目前“白楊”M導彈1.32噸戰斗載荷相比，投送能力明顯提高。4.4噸載荷分配到10個分彈頭的載荷容量為440千克，這可以使單個子彈頭的爆炸威力達到500千噸TNT當量，即使使用誘餌等載荷，也可以確保單個彈頭威力保持在350千噸TNT當量。這一載荷能力和爆炸威力與SS-18相似，而且射程將達到SS-18的11 500千米的水平，這將是俄陸基導彈中投送能力最強的水平，可以打擊幾乎全球任何地方的目標。此外，較高的載荷能力也使導彈搭載與運用載荷更加靈活，可應對未來出現的更復雜的戰術情況。早在2004年3月的俄軍戰略大演習中，俄軍就曾宣布試驗了一種足以在外層空間和大氣層中穿梭自如的“高超音速飛行器”。俄前國防部長謝爾蓋耶夫在離職之前也曾暗示過這種新武器。他說，這種新彈頭與普通彈頭的區別是：可以在最后階段獨立地按原先設定的程序或者在飛到敵方境內后調整飛行軌跡。除俄外，世界上沒有任何一個國家擁有比音速更快的此類導彈。實際上，SS-18導彈在發展中曾多次試驗過同時搭載3個機動式彈頭的方案，SS-18退役后俄沒有類似的投送平臺，而“突破”無疑將成為俄全導式子彈頭和高超聲速飛行器的理想投送工具。

利用現有設施，發展成本低大型導彈的發展成本很大一部分是配套保障設施的建設費用，例如美國超級加固導彈發射井的建設成本幾乎與導彈不相上下，因此在新型號導彈發展中保障設施經濟成本是不得不考慮的重要因素之一。從目前液體導彈發展計劃和實際部署情況看，大部分導彈部署都充分利用了已有配套保障設施，部署在冷戰時期建設的發射井中。實際上，俄“突破”導彈的部署計劃就是部署在現有的SS-18發射井中，而SS-18發射井又是利用原SS-9導彈發射井改造加固而成的。由于SS-18導彈采用了地下井冷發射技術，因此將排煙道的空間澆注上水泥，縮小了發射井的直徑，顯著提高了原有發射井的抗打擊能力，而“突破”導彈無疑將再為加固發射井陣地提供出足夠的空間，將再次提高陣地的抗打擊能力。這與俄當前的經濟頹勢狀況也有一定關系。雖然俄制定了雄心勃勃的戰略武器發展計劃，但是近幾年來，國際能源價格低迷導致俄經濟萎靡，國防預算增長乏力，因此發展大型液體導彈這樣的廉價高效戰略武器就不難理解了。

發展部署周期短，彌補打擊能力空白期從前面分析可以看出，液體導彈技術門檻低、生產工藝簡單，這使其設計發展和生產部署的周期要比固體導彈短，而在戰略力量發展的某些過渡階段，這一特性就尤為重要。蘇聯解體后，俄戰略導彈研制幾乎停滯，直到1997年才有“白楊”M（SS-27）服役，而且部署遠低于最初計劃。海基固體導彈“布拉瓦”的發展更是屢試屢敗，而同時俄冷戰時期的導彈庫也由于缺乏維護資金無情地老化，這將使俄在未來10～20年甚至更長時間里呈現戰略威懾空白期。俄政治軍事學院院長認為，即使現行的固體導彈技術先進，但由于數量差距太大，仍無力阻止俄核力量的衰落，因此急需一種能快速壯大俄戰略威懾能力的武器。而重型液體導彈不但可以使俄彈頭保有量快速增加，而且液體導彈研制和生產的成本周期都要小得多，使俄在必要時可以快速提高產量，應對不時之需，因此俄將發展液體導彈作為挽救戰略威懾能力的主要措施：一是將“輕舟”導彈改造為新型的“藍天”和“萊涅爾”，以彌補“布拉瓦”試驗失敗造成的海基威懾空白；二是延長液體導彈服役期，將SS-18和SS-19均延長服役到2026年；三是宣布發展新型液體燃料洲際導彈。按照俄國家武器裝備計劃，2020年前俄將投入770億盧布用于所有新型導彈系統的批量生產，其中150億盧布（約合2.8億美元）用于生產廠的現代化改造，這筆投入的一半，即75億盧布將用于克拉斯諾亞爾斯克機械制造廠的設備改造，以生產新型液體導彈。俄計劃到2013年前將液體導彈的生產率大幅提高，從目前年產5～7枚提高到20～30枚，并計劃在2020年前批量生產新型液體導彈。屆時，俄將再次恢復原來的陸基力量結構，加之現有“白楊”M和“亞爾斯”等陸基固體導彈發展計劃，俄戰略威懾能力將全面恢復。

延續液體燃料特有技術，優化戰略導彈格局世界導彈領域的固液燃料之爭由來已久，西方幾乎毫無例外地采用了固體導彈，而俄長期堅持液體導彈的發展。長期以來，“固液導彈之爭”就困擾著俄軍工界和軍方，這些分歧在俄海基導彈“布拉瓦”與“輕舟”系列之間就存在，實際上即使采用固體燃料的“布拉瓦”導彈完全成功，也無法彌補美俄在固體導彈技術方面的差距。隨著公路和井射“白楊”M的部署，液體導彈按原有計劃將逐步退出俄導彈舞臺，這在俄國內引起巨大爭議，因為俄經過長期發展與實踐，液體導彈技術并不遜色于固體導彈，如俄“輕舟”系列導彈在投送載荷和導彈推重比方面與西方的“三叉戟”系列并無太大差距。目前，俄新近服役的洲際導彈都是固體燃料的，但“白楊”M和“亞爾斯”等推力和載荷都比較小，與此同時，退役的導彈都屬重型，而且退的多，增的少，這大幅限制了俄核威懾能力。而通過液體導彈的保持與發展，將可能形成“白楊”M與“突破”構成的“輕重搭配”陸基導彈結構，“布拉瓦”和“萊涅爾”構成的“固液搭配”海基導彈結構，最終完成全面向固體導彈的過渡。

新技術使液體導彈恢復近年來，隨著導彈新材料、特種燃料和實現燃料優化控制的計算機技術的發展，液體導彈逐步克服了一些固有缺陷。俄國家導彈中心稱，“突破”導彈重量只有其前身SS-18的一半不到，而投送能力相當，這不能不說是得益于俄導彈技術的進步。估計，其在研制中將大量使用陸基“白楊”M和“萊涅爾”導彈發展與改進中的復合材料，以及高燃燒值的新型燃料。此外，近年來，液體導彈隨著運載火箭技術的提高，如高壓補燃、大面積比噴管、穩定燃燒、計算機控制等技術的進展，也大量采用了高轉速渦輪泵、閉式動力循環、發動機噴管面積優化技術，使火箭發動機在性能、壽命、可靠性、工作適應性、可維護性等方面獲得大幅提高，這成為新型液體導彈發展的基礎。