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摇身一变为弹道导弹——日本导弹工业与洲际弹道导弹研发潜力分析

本文原载于《兵器》杂志2018年4月刊,原作者小火箭,转载时重新进行了二次内容完善及编辑、补充部分插图,与军迷同好一起分

本文原载于《兵器》杂志2018年4月刊,原作者小火箭,转载时重新进行了二次内容完善及编辑、补充部分插图,与军迷同好一起分享。个人认为《兵器》是一本专业、客观的军事杂志,推荐持续订阅,丰富自身的军事及政治知识。将家藏杂志数字化保存同时进行转载的文章,虽多年份较久,但已足够为普通网友提供专业的军事基础知识,掌握足够的军事基础知识才能正确和客观的审视当下发生的国际军政事物和观点。

经过几十年来的发展,日本的商业航天与军用导弹产业已经颇具规模。在东北亚地区,当朝鲜在2017年11月29日凭借火星-15弹道导弹的高抛弹道试射展示了其具备洲际弹道导弹研发和制造的能力的时候,与这片弹道导弹技术最为纷繁复杂、拥核国家最为密集的亚欧大陆对望的日本列岛,是否蛰伏着一股洲际弹道导弹的隐藏势力?日本是否拥有研制洲际弹道导弹的潜力?

尘封的历史

二战结束后没有多少年。在对抗苏联的战略需求下,美国开始主动扶持日本的军工企业。而日本也在积极谋求导弹武器系统研发能力的完善化。

1954年10月,也就是在第二次世界大战结束第9年,日本防卫厅开始设立专门组织导弹研制工作并管理全国导弹研制单位的导弹研究委员会。

1956年,日本制定了所谓的五年造弹计划。受当时工业基础尚未完全恢复、导弹相关人才储备不足的影响,日本决定放弃完全自主研发的道路,准备以引进为基础,在仿制的基础上加快导弹研制的进度。

为了避免过度刺激国际社会;日本一开始并没有从美国引进技术,而是与中立国瑞士签署了导弹采购合同,购买瑞士的“奥力康”导弹。“奥力康”是瑞士于1946年研制的全天候中程、中高空地对空导弹武器系统,既可用于要地防空,也可用于野战防空。

瑞士BN-109“奥力康”导弹

仅用1年时间,日本就掌握了战术导弹的总体研发流程。1957年,日本防卫厅与日本川崎重工签订武器系统研发合同,要求川崎重工研制日本的首款国产战术导弹。这款名为KAM-3D的反坦克导弹开创了日本自主研发导弹的先河。

KAM-3D反坦克导弹

崛起的产业

1963年,川崎重工研制的日本首款导弹定型量产。同年,美国出手援助。日本三菱重工在美国“响尾蛇”空空导弹的基础上开始了仿制和引进开发的道路。日本AAM-1空空导弹就此诞生。2年后,川崎重工KAM-9反坦克导弹研制成功,使日本的反坦克导弹完成了升级换代。

日本陆上自卫队现役主力轻型反坦克导弹01式“轻马特”,采用了固体火箭发动机。

川崎重工研制的“新中马特”反坦克导弹,可能是考虑干涉朝鲜半岛时使用。

1966年,第三家日本企业进军导弹产业。日本东芝公司借鉴美国的主承包商和分包商的模式,开始与日本防卫厅谈判,尝试把美国导弹的研发模式本土化。同年,日本防卫厅赋予东芝公司80式空对舰导弹和81式地对空导弹的巨大订单。

日本自行研制了ASM-1(80式)反舰导弹,性能达到当时的世界先进水平,在很长时间里是日本的主力反舰导弹。

81式地对空导弹

东芝公司成为了导弹武器系统研发的主承包商,把制导控制系统的研制任务留给自己后,把弹体研制工作交给了已经有近十年导弹研制经验的川崎重工。另外,东芝公司拉日产汽车公司入伙,把研制火箭发动机的重任交给了日产。

为加快导弹武器系统完备化的速度,日本防卫厅与美国军火巨头进行了谈判。美国送来了远超日本预期的大量援助,共有4型战术导弹的生产许可证在这段时期交给了日本导弹工业。

日本三菱重工接下了生产“奈基”地空导弹和“霍克”地空导弹的任务。日本三菱电机则开始按许可证生产“麻雀”空空导弹与“海麻雀”舰空导弹。

日本量产战术导弹的速度非常快,而且按当时的汇率换算的话,成本极低。美国公司感受到了威胁。在一番讨论后,日本的AAM-1空空导弹的生产被叫停,其产量定格在了331枚。之后,日本被迫中止了AAM-2导弹的研发工作,开始全部进口美国的“响尾蛇”空空导弹。

抢来的领先

在掌握了导弹总体设计、弹体加工、固体火箭发动机研制、制导控制系统研发等关键技术之后,日本开始跃跃欲试,挑战卫星发射项目。

当时,苏联、美国和法国分别在1957年、1958年和1965年发射了各自的第一颗人造地球卫星。日本想要争得第4个成功发射人造地球卫星的名次。1969年7月,也就是阿波罗11号飞船成功将人类送上月球的那个月,日美空间合作协议签订。

得知中国和英国都有人造地球卫星发射计划之后,日本大幅加快了运载火箭的研发速度。1970年年初,日本东京大学宇宙研究所研制的L-4S运载火箭矗立在了鹿儿岛宇宙空间研究所的靶场上。

用于发射“大隅”5号的L-4S运载火箭,采用4级固体火箭发动机。L-4s前4次都遭遇失败,第5次才取得成功。

东京大学牵头研制的这款运载火箭未安装任何导航制导设备,实际上就是一枚多级无控固体火箭。但是,为了抢进度,日本决定在当年2月就搭载一颗24千克重的载荷发射。

1970年2月11日,L-4S火箭发射成功,将“大隅”5号卫星送入太空,使得日本成为第4个能够独立发射人造地球卫星的国家。由于没有导航制导设备,再加上当时日本几乎没有能够进行有效的弹道计算的工程师,卫星的实际轨道与预定轨道之间有较大的差别。原设计轨道为近地点530千米,远地点2900千米。

而实际上,“大隅”5号卫星的远地点达到了5140千米,这是弹道工程师远远低估了固体火箭发动机的推力造成的。33年后,“大隅”5号卫星在2003年8月2日早上5时45分,于埃及和利比亚边境上空再入大气层焚毁。具体坐标:北纬30.3°,东经25.0°。

日本抢先发射“大隅”5号卫星,成为世界上第四个发射卫星的国家,也验证了固体运载火箭技术。

1970年2月11日,这枚简易的固体火箭让日本跳过了中远程弹道导弹、洲际弹道导弹的步骤,直接进入卫星发射国家的行列,抢在了中国和英国前面。(中国在1970年4月24日,也就是日本发射卫星2个多月后,用一枚加了第三级的“东风”4号弹道导弹改进而来的“长征”1号运载火箭成功地将“东方红”1号卫星送入预定轨道。英国则是在1971年10月份自主发射了他们的第一颗卫星。)

蜷缩的巨兽

日本为什么没有首先去发展弹道导弹而是直奔运载火箭技术呢?

主要有三个原因:在日美相关协议的限制下,日本的各型导弹必须优先采购美国军火巨头的产品,限制了日本在导弹研发领域的项目数量。而日本受本国法律的限制,军队性质与军队规模与正常军事大国有所不同,限制了日本本国对弹道导弹的需求。受国际协议和日本本国法律的约束,日本的导弹不能出口,限制了日本导弹的海外市场。

起步甚早,发展很快的日本导弹与运载火箭产业就这样被按了急停键。但是,日本政府依然对国内的导弹和火箭的研究持续进行大力扶持。长期以来,日本航天技术的研发费用居世界第4位,仅次于美国、苏联和法国。这使得日本的导弹与航天产业如同一只蜷缩在牢笼中的巨兽,空有浑身力气却难以施展。

错过了被称作弹道导弹的黄金时期的上世纪70年代,日本没能拥有自己的中远程弹道导弹。但是,蜷缩起来的巨兽集中精力攻克了大型液氢液氧火箭发动机、高性能复合材料和高精度陀螺仪三大关键技术,开发了N-1、N-2、H-1和H-2等多型运载火箭。

日本在70年代研制的N-1火箭,是在美国“雷神-德尔塔”系列火箭基础上研制的,从1975年使用到1982年。

N-2火箭是在N-1火箭基础上发展而来的,使用到1987年,发射了一系列工程试验卫星和应用卫星

低估的实力

进入上世纪90年代以后,日本的航天技术突飞猛进,但是在运载火箭多次发射失败的阴影中,其技术实力被很多人低估。

到了21世纪,日本的高精度陀螺仪已经成为了畅销出口产品。就连美国的导弹巨头雷声公司也在采购日本生产的陀螺仪。日本东芝公司在上世纪80年代开始专攻导弹图像制导的核心技术,开发出了电荷耦合技术。后来,美国的“标准”系列防空反导导弹的新改型上,开始准备大量采用日本技术来升级导引头。

受协议限制,日本早年无法大张旗鼓地公开发展弹道导弹技术,但是,如果仔细探究东芝、川崎重工、三菱重工、三菱电机、日本电气、日产汽车、石川岛播磨重工、富士通、日立、日本油脂工业、光洋精工和日本精工这12家巨型企业的产品链时,人们会惊奇地发现:日本拥有研制洲际弹道导弹的所有技术储备和生产能力。

神秘的火箭

2003年5月9日,协调世界时04时29分25秒,一枚M-V固体运载火箭的点火象征着日本也加入了小行星探测国家的行列,成为了世界上第2个发射小行星探测器的国家。而这枚火箭立刻引起了全世界导弹设计师的注意。

M-V火箭是日本宇宙航空开发机构JAXA组织研发的三级固体运载火箭(可拓展为四级)。该火箭采用运载火箭中少有的倾斜发射的方式进行发射。(采用倾斜发射对外公开的原因是考虑到火箭发射失败的可能,需要尽快让火箭飞到海面上空,尽量减少对发射场的危害。)

M-V火箭

这款火箭高30.8米,直径2.5米,发射质量达137.5吨(四级拓展型号为139吨)。M-V火箭137.5吨的发射质量远远超过美国“和平卫士”洲际弹道导弹的87.75吨。考虑到M-V火箭的发射质量和入轨精度,该火箭经过改进可拥有射程超过1.5万千米,弹头重量超过2吨的洲际弹道导弹的潜力。

M-V运载火箭的第三级固体发动机,当时日本就已经具备了大直径固体机的研制能力。

2006年9月22日,M-V固体运载火箭进行了最后一次发射后,宣布退役。但这并不是日本迫于国际压力主动选择放弃拥有快速改为洲际弹道导弹潜力的火箭,而是因为他们有了更好的具备快速反应能力的新款固体火箭:埃普西隆号。

该火箭的第一级采用一台直径达2.5米的固体火箭发动机!能够研制这种级别的固体火箭发动机的国家全部拥有自己的洲际弹道导弹。这种推力1580千牛,工作时间可达120秒的火箭发动机是洲际弹道导弹的理想动力。

“埃普西隆”固体运载火箭在厂房中总装完毕,正在接受测试。它采用了日本目前最先进的大直径固体火箭发动机

实际上,埃普西隆火箭的很多技术指标也远远高于商业航天的火箭。比如,普通的商业运载火箭,从发射项目确定到发射,至少有1个月的时间用于准备。日本M-V火箭时间稍长,为41天。而埃普西隆火箭的准备周期只有6天。一旦在发射场完成载荷的测试,埃普西隆火箭能够只用150人,在3小时内就能完成发射。

“埃普西隆”火箭的飞行示意图,二级火箭和载荷都收纳在大型整流罩内。

另外,埃普西隆火箭一直在开发的网络遥控技术也已经实现。在紧急情况下,整枚火箭可以不依赖测控大厅,仅用一台能够连接到互联网的笔记本电脑就可以遥控发射。这为该火箭改进为可以公路机动的洲际弹道导弹提供了可能。

埃普西隆火箭发动机的壳体为超高性能碳纤维-环氧树脂缠绕而成,其喷管则是装有整体喉衬的碳-碳材料制成。发动机整体可由超声波进行无损检测。这些技术都使得该火箭可以成为一款投掷能力超过2吨,最大射程超过1.2万千米的大型洲际弹道导弹!它还拥有足够的战场环境生存能力和搭载分导式多弹头的改进潜力。

“埃普西隆”正在吊装到发射塔上。从工作人员的身材对比,可以认识到它的直径。

完备的体系

要想真正变成洲际弹道导弹的话,这款91吨重,24.41米长的固体运载火箭需要跨过4个门槛。我们来探究一下,看看日本工程师们是否已经做好了准备。

首先,日本需要掌握再入弹头的防热技术。第二个门槛则是弹头再入大气层的精确测控技术。

实际上,这两项技术日本早已掌握了,而且已经得到了验证。还记得之前提过的日本在2003年5月9日用M-V固体火箭发射的小行星探测器吧?这是一颗能够在小行星上着陆,然后在小行星上采样,在深空精确变轨后返回地球的探测器。

2005年9月12日,“隼鸟”号小行星探测器抵达25143号小行星糸川的附近,先是定位在距离小行星20千米处,然后移动至7千米的距离上。11月20日,“隼鸟”号第一次尝试登陆小行星,失败。11月25日,“隼鸟”号第二次尝试登陆小行星,成功。

“隼鸟”号小行星探测器在宇宙中飞行11年,精确捕获了小行星“系川”并实现采样,验证了远程高精度导航技术

原计划,“隼鸟”号的返回舱会于2007年6月返回地球。但工程师判断其燃料疑似出现了泄露的情况。另外,11块锂电池中,有4块完全不能工作。推迟三年后,最终,携带小行星土壤样本的返回舱在2010年再入大气层。

2010年6月13日深夜,“隼鸟”号小行星探测器的返回舱成功再入大气,着陆在澳大利亚的乌美拉靶场。

“隼鸟”号在宇宙中旅行了7年,穿越了60亿千米的路程,实现了人类第一次对一颗小行星的探测,实现了第一次小行星采样返回(之前美国的星尘号取的是彗星尘埃,这次的“隼鸟”号是直接挖的小行星土壤)。

“隼鸟”号探测小行星之后,用这个返回舱带回了岩石样品,同时也突破了轨道物体高速再入技术。

按照吉尼斯世界纪录的认定,“隼鸟”号创造了世界上首个从小行星上带回物质的探测器和对最小目标自然天体(系川小行星全长仅约500米)进行着陆的探测器两项世界纪录。

第三个门槛是军用通信系统。毕竟,洲际弹道导弹的作战使用需要大量信息的交汇融合和决策层的加密信号的快速传输。因此,拥有独立的通信卫星是洲际弹道导弹提升作战效能的必经之路。

而这样的卫星,日本也已经拥有了。2008年,日本通过《宇宙基本法》,允许太空开发用于“防卫”目的。2012年,日本国会通过《独立行政法人宇宙航空研究开发机构法》修正案,删除了太空开发活动“限于和平目的”的规定。这为日本发射军用卫星扫除了法律层面的障碍。

2017年1月24日,日本首颗军用通信卫星DSN-2由H-2A运载火箭在鹿儿岛发射后,精确入轨。DSN-2军用通信卫星由DSN公司研制,因此被冠以这个名字。实际上,该卫星还有一个别称“Kirameki-2”,也就是“煌-2”。对于日本来说,这颗卫星具有划时代的意义:这是日本防卫省拥有的第一颗军用通信卫星,彻底结束了之前日本防卫省需要借用民用通信卫星进行卫星军事通信的历史。

这颗卫星基于DS2000总线,工作在X波段,具有大容量和高速度的特点,将大幅提升日本海陆空自卫队的通信能力。该星的预期服役寿命为15年。(也就是说,在15年之内,如果东北亚地区爆发相关战事的话,这颗卫星将承担重要的军事通信任务。)

另外,不要被日本的这颗“煌-2”卫星的编号迷惑了。其实这是日本军事通信卫星的首星。第2颗卫星“煌-1”卫星预计在2018年发射升空。鉴于H-IIA火箭的成功率、发射密度等考虑,“煌-1”卫星最好的选择是由阿丽亚娜-5型火箭来进行发射。第3颗卫星“煌-3”则预计会在2020年升空。另外,还有一份持续到2031年3月的军用通信卫星的升级计划。

日本以应对朝鲜导弹危机为借口,自行研制并发射了“情报收集卫星”系列,具备了独立自主的卫星侦察能力。

第四个门槛是导航系统。如果把目光聚焦在技术本身的话,我们发现,仅仅能够将一定重量的弹头投掷到8000千米以外的导弹就称作洲际弹道导弹的说法,在现代有些牵强了。真正意义上的洲际弹道导弹不仅应该有强大的投掷能力,还应该有足够的投掷精度。

这就需要拥有洲际弹道导弹的国家努力去开发属于自己的高精度惯性导航设备和卫星导航系统。在美国、中国和俄罗斯分别拥有GPS、北斗和格洛纳斯卫星导航系统的背景下,日本有哪些动作呢?

2017年8月19日14时29分,一枚H-2A运载火箭将“引路”3号卫星送入预定轨道。日本“引路”系列卫星是准天顶卫星系统。它包括多颗轨道周期相同的地球同步轨道卫星,分布在多个轨道面上,在任何时刻,都会有一颗卫星能够完整覆盖整个日本。

日本发射准天顶卫星“引路”号

2010年,“引路”1号卫星成功入轨,2017年6月1日,“引路”2号发射成功。日本的初步计划是在2018年时构建一个拥有4颗卫星的卫星导航系统,在2023年时,拥有一个由7颗卫星组成的可堪使用的导航星座。

这些星座的短期目标是提高日本应用美国GPS导航系统的用户体验,中期目标是在功能方面实现拓展,远期目标则是在未来逐步摆脱对GPS的依赖。

本文简述了日本导弹与火箭产业的起步和发展,探讨了其拥有洲际弹道导弹的潜力。通过分析可知,日本能够在较短的时间内通过现有的固体火箭型号改造出性能出众的洲际弹道导弹,而且能够对此类弹道导弹进行量产。长远来看,日本还拥有升级改进的潜力,以便使这样的洲际弹道导弹拥有更高的作战效能。

N1,N2,H1,H2,H2A,H2B,H3,日本火箭一路长大