淺談陸基洲際導彈和多彈頭技術發展（下）
宇航探索局出品，轉載請註明出處，轉自同名公眾號
上期我們聊到，到了60年代，為了打擊儘可能多的目標，集束式多彈頭開始出現。
然而隨著技術的發展，問題也接踵而至。
四、接踵而至的問題
1，強弩之下必有重盾——導彈發射井
美蘇洲際導彈的發展經歷了由地面到地下，最後再回歸地面的發展過程。
美國於1959年裝備了第一枚用於作戰的洲際導彈「宇宙神-D」，當時剛剛解決「有無」問題，還沒考慮導彈的儲存和隱蔽。所以「宇宙神-D」剛生下來時就是豎在地面上的。
導彈量產之後就不得不考慮導彈的儲存和隱蔽問題了，這時候就有了地下掩體，導彈平時躺在地下掩體內，發射時候拉出來，系統測試，加註燃料，裝定諸元然後發射。
到了「宇宙神-E」，掩體的偽裝能力得到重視，掩體上部與地表齊平，具備了一定程度的反偵察能力，然而發射前仍然要把導彈拉到地面上起豎展開、加註、點火發射（下圖）。
到了1962年服役的「宇宙神（Atlas）-F」和「大力神（Titan）-I」，導彈就不用折騰到地面展開了，直接在發射井內就可以完成測試、加註等射前準備。不過脆弱的發射井難以承受導彈發射時帶來的排煙、震動和漂移等問題，導彈仍然要提到發射井口再點火發射（下圖）。
等「宇宙神（Atlas）-F」和「大力神（Titan）-I」發射井建成服役後，美蘇彼此都部署了相當數量的洲際導彈，發射井的生存問題就擺上了桌面。從「大力神（Titan）-II」開始，後面的「民兵-1」、「民兵-2」全部改為井下儲存、井下點火發射。
相比而言，蘇聯從SS-7就開始了發射井的建設。導彈升級換代時直接把退役導彈拉出來重新裝填新導彈（當然了，發射井也要翻新加固一下）。
蘇聯開始時也採用井內直接點火的熱發射方式，該方式對發射井破壞較大，打一發之後發射井基本上就報廢了。從SS-13開始，蘇聯冷發射技術日臻成熟，到了SS-17，導彈被放進發射筒內，發射筒聯同導彈置於發射井中，發射時導彈由發射筒內彈出地面點火，重新裝填只需要更換髮射筒即可（蘇聯陸基洲際彈道導彈（中）之——SS-17（疾行者））。
在此之前，導彈發射設施和城市目標就像擺在幾千公里之外的活靶子一樣，人們只需要考慮開發足夠遠射程，彈頭數量和威力足夠大的洲際導彈。為此產生了集束式多彈頭技術，只要把彈頭在目標區域像撒鹽一樣撒下去就OK。
發射井自出現後就在不斷翻新和加固，從之後的數據我們知道，哪怕彈頭當量在17萬噸，命中精度為220米的「民兵-3」型導彈對抗力為390000Pa的發射井摧毀概率都不到70%。發射井保留一個都是滅頂之災。「民兵-3」尚且如此，用「民兵-1」和「民兵-2」打擊這樣的發射井，難度可想而知。
導彈發射井的大量出現使美蘇雙方產生了深深的危機感，他們遇到了此前從未遇到的問題：如何有效打擊地下加固發射井。
2，單彈頭還是集束彈頭？
打擊加固地下發射井？
直接提高彈頭當量不就可以了？
然而彈頭當量的提高意味著彈頭變重，可當時的火箭推力就那麼大，這就不得不減少彈頭數量（事實上在空氣動力學中有個著名的段子：推力夠的話搬磚也能飛上天）。
事情似乎又回到彈頭威力的比拼上了。大當量單彈頭仍是難以割捨的利器。因此蘇聯的每一型導彈都有著單彈頭的版本和多彈頭的幾種版本，打擊城市和堅固發射井時採用不同的彈頭型號。這一矛盾一直影響到下一代洲際導彈。
同樣的事情發生在美國的「民兵-2」和「民兵-3」上，相對於「民兵-1」而言，「民兵-2」的發動機性能和突防能力獲得了一定提高，然而「民兵-2」搭載單彈頭戰鬥部，火力稍差，這一缺點導致「民兵-2」服役時間遠遠沒有「民兵-3」長，更多的是把「民兵-2」作為「民兵-3」的一種過渡的型號，在「民兵-2」上所嘗試的突破創新更是寥寥無幾，更多的是起到對「民兵-1」的改進和完善。
五 彈載計算機
通過計算，美國人發現將現有武器打擊精度提高一倍意味著摧毀同樣的目標，需要彈頭的重量（爆炸當量）可以降為原來的1/4。還有一種說法是，在命中精度不變的情況下，彈頭威力提高1倍，摧毀能力將增加大約0.6倍，如果彈頭威力不變，命中精度提高1倍，則摧毀能力增加大約3倍（也就是變為原來4倍）。
總之，提高打擊精度比提高彈頭威力的效果要好的多。
如何提高打擊精度呢？
很大程度上要依賴彈載計算機和陀螺儀的性能。實際上，沒有性能強大的彈載計算機，分導式多彈頭技術便是無米之炊。在這一方面，美國的「民兵」導彈尤為典型。
1，「民兵-1」——NS-10Q制導系統+Autonetics D-17B計算機
（下文文字機翻為主）
資料來源：https://minutemanmissile.com/missileguidancesystem.html
從「民兵1」開始，NS-10Q導彈制導系統隨每枚導彈一起安裝，該導彈依靠Autonetics D-17B計算機作為其導航系統的一部分。
「民兵1」的計算機既要兼顧彈上的計算又要兼顧地面計算任務。然而60年代的計算機技術水平有限，計算機元件大且笨重，難以壓縮到期望的大小。為解決元器件大小問題，美國政府大力推動本國的半導體器件研製工作，通過改進元器件的工藝水平，不僅製造了性能優異的計算機，還進一步降低了系統成本。這些計算機不僅用於軍方的彈道導彈和火箭，還廣泛澤被民用領域。
「民兵-1」導彈採用高性能計算機Autonetics D-17B後，其反應時間和系統性能得到了質的提升，遠遠優於當時美國其他導彈系統。
2，「民兵-2」——NS-17制導系統+Autonetics D-37C計算機
得益於半導體和計算機技術的發展，「民兵2」導彈制導系統升級為NS-17，該系統包含Autonetics D-37C計算機。
Autonetics D-37C計算機圍繞一個全慣性系統設計，可以在其內部存儲器中存儲多個預編程的目標，D-37C計算機編製這些信息來計算導彈的當前位置，並對導彈進行調整，計算機由四個主要部分組成。 存儲器，中央處理單元（CPU）以及輸入和輸出單元。 存儲器包含以6000rpm旋轉的雙面固定磁頭磁碟。 其存儲容量最多可包含7222個字，相對於D-17B的5454個單詞存量提高了一半。
NS-17的慣性制導系統不依賴於對恆星或陸地位置的觀測，也不依賴於無線電或雷達信號（基本上這個系統不依賴於導彈外部的任何信息）。 NS-17導彈制導裝置中設計的慣性導航儀使用指示方向的陀螺儀以及測量導彈速度和方向變化的加速度計提供製導信息。
然而，這些計算機和制導系統無法滿足分導式彈頭的需要。主要是CPU的性能難以滿足彈道快速解算的要求。（等CPU解算出彈道後，彈頭已經錯過窗口了）。
3，「民兵-3」——NS-20制導系統+Autonetics D-37D計算機
在引進具有3個分導式彈頭（MIRV，多重獨立目標再入飛行器）能力的「民兵3」導彈時，部署了新的NS-20導彈制導系統，該系統依靠Autonetics D-37D計算機獲得強大的處理能力（機翻）。
在發射設施中，導彈制導系統不斷與地面系統通信，並響應從地面系統接收的指令，不斷監測和報告導彈系統的健康狀況。
在點火發射和導彈飛行的第一階段，導彈制導系統和彈載計算機向發動機噴嘴控制單元發送指令，使導彈保持在再入飛行器到達其特定目標所需的精確彈道上。
對於三級固體火箭中的每一級，D-37D飛行計算機能夠感知發動機何時即將耗盡燃料，發送指令將接近耗盡的助推器脫離，同時點燃下一級發動機。慣性制導系統然後向飛行計算機發送信號，飛行計算機向每個後續固體火箭助推器上的推力矢量控制(TVC）單元發送命令，確保導彈保持在彈道上。
NS-20導彈制導系統和Autonetics D-37D計算機的出現減輕了彈載計算控制系統的重量，提高了精度，滿足了分導式多彈頭對計算機性能的進一步要求。可謂一舉三得。
六、「一箭多星」催生MIRV
2017年印度成功進行了一箭104星的發射，一時朋友圈一片嘩然，褒貶不一。說出來不怕您驚訝，「一箭多星」技術是個老掉牙的「新科技」。多老呢？早在上世紀五十年代末六十年代初，美國就先後研製了幾種用一枚火箭發射多顆衛星的末助推裝置。
1960年，美國用「Thor-Able」運載火箭的末級，首次將3顆衛星送入近地軌道。「艾布爾」使用自燃推進劑(硝酸+偏二甲肼)，使發動機既能關機又能重新啟動，這是第一個可重啟的火箭發動機。
「艾布爾」安裝的制導控制系統、一套程序機構和加速度計正是分導式多彈頭的末助推控制系統的重要部件。在此基礎上，美國又研製出性能更好的、被稱為「過渡級」的末助推控制系統，就是下面這個：
從1964年開始，美國進行了多次多彈頭飛行試驗，對集束式和分導式多彈頭技術進行了研究，並最終通過「一箭多星」中的「過渡級」開發掌握了分導式多彈頭必需的末助推控制技術，這就是分導式多彈頭技術（MIRV）的雛形。因此在1966年「大力神」 3C火箭應用「過渡級」成功後僅3年，美國空軍就完成了分導式多彈頭技術的開發。
而蘇聯呢？蘇聯的衛星軌控技術比美國要早，其分導式多彈頭的技術發展路線與美國非常接近。
也是從1964年開始，蘇聯利用東方號火箭發射的宇宙號系列衛星，進行了一系列一箭多星發射和軌道控制技術試驗。
用於一箭多星試驗的東方號（Vostok 8K72K）火箭。東方號火箭發射了第一顆人造衛星，第一顆月球探測器，第一顆金星探測器，第一顆火星探測器，第一艘載人飛船，第一艘無人載貨飛船進步號等。由它衍生出的火箭系列是當今世界發射次數最多的運載火箭系列，其中現役聯盟號是東方號的一個子系列，主要發射聯盟號載人飛船、進步號載貨飛船。
蘇聯一箭多星的發射試驗活動進展很快，到了1970年，蘇聯也進行了一箭八星的飛行，並由此進入了一箭八星的實用飛行階段：從1970年開始到1981年，蘇聯在11年間進行了28次一箭八星飛行，平均每年達到2-3次。
分導式多彈頭技術和一箭多星技術同出本源，美蘇衛星軌控技術的增強為分導式多彈頭技術奠定了基礎。
七、MIRV，大國手術刀
上面說的這麼熱鬧，做了這麼多的鋪墊，那麼什麼是分導式多彈頭技術呢？
其實很多網路視頻混雜了集束多彈頭技術。比如下面這個亞爾斯導彈視頻：
網上瘋傳的俄羅斯亞爾斯洲際導彈打擊過程，在末制導階段八枚彈頭同時釋放，這更像是集束式多彈頭的作風。當然也有可能集束釋放機動式彈頭，這就是另一個概念了
1，分導工作過程
分導式多彈頭導彈的彈頭沒有制導控制系統，彈頭離開分導艙後，在無控制力的狀態下依靠慣性飛行接近目標。
因此彈頭的釋放點參數（包括釋放點的位置、方向、速度等） 直接影響著彈頭的命中精度，根據分導式多彈頭導彈系統的工作原理，可將子彈頭分導過程分成以下兩個階段：
第一階段: 調姿準備段。包括轉向調姿段和方向調姿段，其中轉向調姿段主要對母艙的轉向進行調姿，並進行姿態穩定控制，經過推進後，母艙進入預定的空間位置；方向調姿段是對彈頭指向調姿，並進行姿態穩定控制。
末助推控制系統（PBCS）即是上文一箭多星「過渡級」的技術延伸。
第二階段: 彈頭釋放段，母艙（分導艙）在滿足條件時釋放彈頭和誘餌。單枚子彈頭分導過程一般可以描述為：上一枚子彈頭釋放→母艙推進、方向調姿→母艙姿態保持（巡航）→母艙再次推進→釋放下一枚子彈頭並調姿→母艙姿態保持→彈頭再次釋放。多彈頭釋放的具體過程如圖下所示。
分導程序是根據預打擊的目標事先編程確定好的，彈頭在每次釋放之前，控制PBCS的姿態和推力矢量，將PBCS導向彈頭釋放所要求的空間位置和運動狀態，一旦滿足分離條件，便立即釋放彈頭、誘餌並減速，彈頭迅速平滑地脫離母（分導）艙，然後母艙轉入對下一枚彈頭的分導程序。每釋放一枚彈頭，分導艙一般都需要改變一次飛行軌道，當最後一枚彈頭釋放後，分導過程結束。隨後的子彈頭便靠慣性飛行，有的彈頭還裝有自旋穩定裝置（後面講）。
分導式多彈頭的設計初衷之一就是增加突防概率。彈頭再入大氣層時候有過濾輕誘餌彈頭的作用，所以誘餌彈頭對末段反導沒多大用，是真是假飛行姿態一目瞭然。誘餌彈頭主要針對大氣層外的中段反導。後來，末段反導技術發展迅速（比如愛國者，中俄就不介紹了，敏感），有人提出採用比重較大的誘餌彈頭，這又十分不經濟，反倒不如直接換成真彈頭增加突防概率。
2，末助推控制系統
不言自明，分導式多彈頭關鍵在於PBCS的分導技術，或者說PBCS是分導多彈頭技術的核心。優秀的PBCS通過精確控制變軌過程能夠產生不同的打擊效果。
PBCS什麼樣子呢？
2，多彈頭爆炸聚能效應
多彈頭技術的發展，為人們研究其破壞效果提供了條件。理論分析表明，破壞威力大，落點和時間規劃合理的多彈頭對地面目標，尤其是地下工程目標（比如發射井）的破壞並不單純是每個彈頭破壞效應的累加，而是會產生聚焦作用，成倍地增大破壞效應。
早在冷戰時期，人們就發現，將多枚鑽地核彈頭投送到目標區同時爆炸，利用多彈爆炸所產生的聚集效應，可在地下一定深度處形成高應力疊加區，這對深地下工程破壞十分大。
因而加固的地下發射井在它們面前也就十分脆弱了。為此，到了70年代中期，美國不得不對值班的洲際導彈發射井集中進行了加固。
此外， 大當量單彈頭的破壞效應隨著距離的增大而削弱，而均勻散佈的多個分導式彈頭可以在更大面積範圍內均勻破壞。這就使得多彈頭的均勻散佈遠比等當量威力彈頭的累加破壞要均勻。冷戰時期，美蘇均利用這種效果，將多彈頭導彈用於「彈幕式」打擊地面機動的戰略導彈發射車等在一定區域內高速機動的目標，以提高殺傷概率。
3，MIRV之部署
最後校正文稿時，刪掉了冗雜的數據和文字。我們放鬆一下，來欣賞一組圖片吧。
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