世界上絕大多數陸基機動洲際彈道導彈都不約而同選擇了冷發射技術路線,因為只有冷發射對發射支持系統的要求才能降至最低。
發射質量約52噸的DF-41彈體如果採用熱發射那麼對燃氣導流設備的依賴性就很大,同時也難以依託自適應橡膠延伸底座實現無依託發射。
冷發射也被稱為“外推力發射”,不是由導彈點火自力飛行出筒,而是發射筒內部的壓縮氣體將導彈彈射出筒,導彈在半空中點火,火箭尾焰無需導流,同時對路面承載力要求也較小。
DF-41助推段主要由三級固體火箭接力加速完成,這一飛行段對導彈命中精度的影響權重至少有40%,該飛行段主要由官方披露的“先進慣性導航系統”發揮制導作用。
慣性導航系統是通過測量導彈在坐標系中的加速度,並對時間進行積分,進而將其引入導航坐標系中獲得速度、偏航角和位置等信息,從而解算導彈飛行彈道。
陀螺儀是慣性導航系統的核心部件,主要有繞線陀螺、靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺、微機械陀螺等種類,其中激光陀螺一直占據着高精度控制領域裡的主導地位。
講到激光陀螺就不得不提到為此付出一生心血的工程院院士高伯龍教授,他曾經甘坐冷板凳20年研製出“全內腔四頻差動激光陀螺工程樣機”,又用將近十年時間力排眾議研製出國內精度第一的基於激光陀螺儀的“旋轉式慣性導航系統”,並大規模應用於現役武器系統,令人感慨的是直到高伯龍院士去世前他還在向後人囑咐激光陀螺的未盡事業。
一定要滿足武器型號需求,這是高伯龍院士時刻銘記於心的原則,激光陀螺儀核心優勢是精度高,且轉動機構少不易受震動與衝擊的影響,為了發揚這種技術優勢,每一型產品研發成功後他都要組織實施一系列的高震動強衝擊試驗,確保產品在各種惡劣條件下都能發揮出最高精度性能。
DF-41究竟採用了何種慣性導航系統我們不得而知,但是今年5月5日海南文昌的一次航天發射則證明了國產慣性導航系統無與倫比的技術實力。
當天服務載人登月用途的新一代載人飛船試驗船搭乘長征五號B遙一運載火箭發射升空,該型火箭是世界現役火箭中唯一一款一級半構型運載火箭,其芯級火箭從地面點火到進入軌道要全程使用,飛行末段還要進行精確的速度調整,以確保飛船準確入軌。
長征五號B芯級YF-77氫氧發動機作為一款海平面起飛發動機,要實施長達480多秒的超長待機工作,同時還要經歷更為複雜的空間環境,而且飛行末段發動機關機剎車對速度的控制要求更為精細,猶如讓一個壯漢去繡花一樣,推力大了不行,小了也不行,必須是剛剛好。
長征五號B還有一對高達20.5米相當於6層樓房高度的超大尺寸整流罩,其分離時產生的震動必然對飛行安全產生影響。
船箭分離也不同於尋常發射,火箭芯級與二十餘噸的飛船同屬大質量載荷,二者分離時的震動控制也是瓶頸。
還有更重要的一點,長征五號B需要具備零窗口發射能力,因為屆時在天宮空間站任務中它有太空對接需求,不誇張地說這是要讓發射質量837.5噸的大胖子擁有中段反導級別的軌道精確控制能力。
縱然如此,最終事實告訴我們長征五號B遙一火箭完成了人類前所未有的依靠起飛級精確入軌的壯舉,新飛船實現了高精度入軌。
該火箭與DF-41一樣都應用了基於激光陀螺儀的慣性導航系統,同時又結合了衛星導航、攝動和迭代的接力式制導方案,使得火箭可以精確感知自身姿態、實際飛行彈道、速度等信息,從而助力箭載計算機做出正確決策。
長征五號B表現依然如此優秀,那麼系出同門的DF-41入軌精度自然會更令人信服。
DF-41三級火箭完成接力式助飛後戰鬥部將進入自由飛行段,該飛行段處於太空空間,干擾因素較少,戰鬥部將結合多種制導手段進行軌道修正,為再入大氣層做準備。
再入段對導彈命中精度將起着最後的決定性作用,DF-41誕生於本世紀第二個十年,作為重要的撒手鐧武器需要創新,但更多的還是繼承成熟技術,例如神舟載人飛船的標稱軌跡制導系統。
神舟載人飛船曾創造過距離理論落點僅100米的實際落點精度,這一數值與DF-41命中精度不謀而合。
載人飛船有降落傘減速帶來的干擾,而導彈戰鬥部無需考慮降落傘飛行控制難題,因此如果沿用神舟飛船的標稱軌跡制導系統,實際命中精度完全能夠控制在百米量級以內。
1.4萬公里射程實現百米級命中精度在全世界是獨一家,然而這就是DF-41的性能終點嗎?顯然不是。
上世紀九十年代至本世紀初,我們是軍工反哺航天,以DF-5號為原型的各型火箭相繼問世,太陽同步軌道有長征四號系列,近地軌道長征二號丙,載人火箭有長征2F,地球同步軌道有長三甲系列,隨着載人航天工程、高分工程、嫦娥工程等重大航天工程深入推進,由此孵化的一系列尖端技術也將反哺軍工。
這還得說到由長征五號B發射的新一代載人飛船試驗船,該船應用了一系列具有世界領先水平的航天技術,新飛船返回艙最終落點精度用總師張柏楠的話說是比10環還多0.8環的超優異成績,比神舟飛船提升了幾個數量級。
正如前文所述,火箭起飛前的準備工作就已經開始影響着飛船返回艙的再入精度,由於長征五號B火箭的零窗口發射、高精度入軌為新飛船實現高精度返回奠定了堅實基礎。
入軌後新飛船又應用了兩項具有世界領先水平的控制技術,首先飛船要從近地軌道通過7次軌道提升進入距離地面約8000公里的高軌軌道,從而模擬近第二宇宙速度的再入熱流燒蝕環境。
以往飛船變軌飛行需要地面測控站提供數據支持,屬於半自動系統,而新飛船應用的是自主軌道控制技術,GNC分系統可以自主對飛船實時定軌、導航,而且它還可以分析飛船的發動機推力、軌道、速度等條件自主實施軌道變軌,是完全自動化、智能化的軌道控制技術,該技術可在洲際導彈自由飛行段加以應用,進一步提高中段控制精度。
新飛船取得10.8環高精度落點成績的條件非常苛刻,除了自主導航變軌,它還要承受近第二宇宙速度的再入熱流燒蝕,為此新飛船返回艙應用了“全數字全係數自適應預測校正制導”,該技術由我國獨創,2010年以來世界其他航天強國也曾在自適應預測校正制導領域進行研究,但至今無一成功應用案例。
神舟飛船的標稱軌跡制導是世界各國廣為應用的制導方法,它需要給出一條理論假定軌跡,然後火箭基於實際飛行軌跡與理論軌跡比對進行制導控制,實時制導計算量小結構簡單容易實現,但它對初始飛行偏差要求高,且不穩定,這也是為什麼世界絕大多數洲際導彈精度難以突破100米的根源。
新飛船為了抵禦第二宇宙速度再入熱流燒蝕,採用了高速半彈道跳躍式再入軌道,就像太空打水漂一樣,整個再入航程5100至7000公里左右,因此實現高精度落點控制的難度更高。
自適應預測制導可以結合導彈狀態、飛行運動約束、飛行控制約束在線解算制導修正量,使得命中精度相較於傳統方案提高了幾個數量級。
該系統是空間技術研究院歷時20年攻克的世界級軌道控制技術,而這也並非第一次工程應用,早在2014年嫦娥五號T1任務中就首次應用了自適應預測制導技術,當年就刷新了返回艙開傘點精度的世界紀錄。
連續兩次工程任務的成功應用足以證明此項技術的先進性與高可靠性,此項技術也將應用於天問一號飛船的火星進入任務。
自適應預測制導技術不僅適用於月地軌道跳躍式再入返回、火星進入、火星大氣捕獲,也適用於地球軌道直接再入、大升力體初始再入,這意味着DF-41類型的洲際快遞打擊精度有望由100米提升至10米以內。
想象一下一枚導彈跨越一萬四千公里距離,以25馬赫速度從天而降,並且打出巡航導彈級精度,這將是多麼攝人心魄的畫面。
大升力體初始再入也能應用自適應預測制導技術,意味着以DF-41為投送載具的洲際乘波體導彈命中精度將更高。
自適應預測制導技術率先由我國掌握是具有戰略意義的突破,它將使我們牢牢確立在空天技術領域裡的優勢地位,相較於技術優勢,時間優勢更關鍵,大洋彼岸自此又多了一項追趕我方步伐的科目,而他們並沒有時間優勢。