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現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者
由三年前公開的蒙布彈體影像猜測9M730的「真容」,事實上,此彈很多結構還是令人很困惑的。(圖片來自連結)
近日的軍事新聞,全被巴以戰爭所掩蓋,甚至連變得激烈的俄烏戰爭,都變得沒人在意了;在巴以第二次加沙之戰前夕,俄國再次試射那支相當劃時代的核動力巡航導彈9M730風暴海燕式,而且聲稱試驗成功,要說這個算劃時代,因為60-70年代美蘇一直有規劃核動力航空器,然而沒有一架能飛起來,頂多只進行過核動力火箭地面全推力測試或帶一個運作中的反應堆上天。不評論這幾年來的試射失敗率的話,這應該是人類第一架能正常飛行的核動力飛行器了,不過甚至到今天宣稱試飛成功,這種導彈仍有很多謎團,仍然是我們無法理解的,而且過去核動力航空器的技術與戰略運用上遇到的問題,我們也不知道俄國現在打算怎樣解決。
兩種猜測的不同引擎配置,左邊是引擎核心就是堆芯的開式反應堆,空氣也作為反應堆散熱的主要途徑。這個的能量利用率更高,但反應堆的放射性塵埃可能直接排放進大氣層;右邊的是典型的核電廠式蔽式循環反應堆,冷卻劑經循環管道把熱力帶到引擎並加熱空氣。一個循環迴路會損耗反應堆不少能量,但至少比開式反應堆噴射引擎安全不少。(圖片來自連結1及連結2)
1. 動力系統:開式還是屏蔽式?
這飛彈使用核動力引擎,原因無他,就是要取得極甚至幾近無限的長航程及滯空能力,從而可以由任何方向向地球上任一目標進行攻擊。過去的核動力航空引擎,嚴格來說分為兩種,第一類為開式引擎,即在一般渦輪噴射引擎原燃燒室的位置布置前、後方沒有完整保護殼的反應堆,空氣經渦輪壓縮後直接衝進反應堆堆芯的管道並被加熱,並由噴氣管排出;第二類為閉式引擎,反應堆具相對完整的防護,不與空氣直接接觸。反應堆通常布置於引擎中央或機身內,熱交換器則佈置在燃燒室,反應堆的液態金屬冷卻劑或氣體冷卻劑經管道流向熱交換器,加熱流過的空氣,然後又流回堆芯帶走熱能,為引擎提供持續的熱源與推力。前者使用一般的高濃度鈾235燃料棒反應堆即可,後者則主要以較特別的氣冷堆或融鹽堆來完成。
左為美國的HTRE-3氣冷型發動機用反應堆,一個堆理論上可以加熱四個J-47引擎的燃燒室;右為蘇聯一種將反應堆裝在渦噴引擎中的方案,特別之處是這種彎曲進氣道可以有足夠空間安裝反應堆的控制棒,另一面渦噴的壓氣機主軸也不需穿過反應堆中央,造成嚴重的材料(因輻射)脆化。(圖片來自維基百科及連結2)
現時我們並不知道9M730究竟用什麼反應堆,就算俄國境內,不同資料也有不同說法,而且這兩種反應堆也是各有優劣:開式反應堆是將反應堆綜合進一個普通的噴射引擎內,空氣直接流過堆芯造工,構造可以較簡單且空氣是被反應堆燃料直接加熱,熱效率更好,不過這種推進方式沒有完整的輻射屏敝,且強烈氣流可能會損毀反應堆內臂,變成「不斷噴輻射塵」,而且燃料要長期放置於反應堆中,但保護又不全面,出擊前準備與平日維護都是個很大問題。
關於俄國用於飛彈的反應堆,資料極少,不過關於能塞進飛彈的小型反應堆,其實還可以參考這個美國研究機構尚在研發中的Holos型基地用模組化氣冷(墮性氣體)反應堆,其組合是四支處於次臨界、燃料豐度只有10-15% 鈾235的燃料 / 反應堆 / 渦輪機單元,每個重約8噸,四支合起來才能達到臨界,不過如果燃料豐度更高,體積可以更小,甚至一個單元就足以進入臨界。(圖片來自連結1)
閉式循環則是和一般核電廠相似,堆在彈體中部的反應堆利用一次遁環中的冷卻液把高熱帶到引擎周圍,加熱空氣然後產生推力。其好處是輻射洩漏可以低很多,甚至低到可以忽略的地步,如果是用溶鹽堆制式,那金屬冷卻夜本身也有鈾燃料,流過堆芯時因控制棒減速中子的作用而發生核反應,流出後就會停止,並把高熱順便一同帶到引擎的熱交換器上。這點的好處除了更低的輻射洩漏機會,燃料 / 冷卻劑更可以在起飛前才注入,平日檢查維護成本可以低得多,缺點則是由於能量傳遞需要多一重循環,能量造功效率較差,且複雜度也較高,可能降低妥善率。
不過無論是用什麼核堆,還是面對預算的問題:反應堆很貴,即使是超小型的也相當昂貴,生產及運用成本很高,尤其是這種消耗品,其價格是否適合量產?若產量並不足夠,又如何能達成有效的戰略打擊能力?
裝配工場全景圖,這廠方片段其實揭開了9M730很多謎團,但工作間及人員防護又不像核工作人員的穿戴,更很難發現任何核輻射警告標誌,讓人懷疑核燃料可能是需要時才裝入 / 注入彈身內的,再加上固體核燃料裝載入引擎中有相當難度,實讓人懷疑核燃料可能是發射前才裝進去,甚至是灌進去的,而這和熔鹽堆的特色就有相當的契合了。(YOUTUBE片段擷圖)
2. 超長射程與爆發速度的取捨?
六十年代發展的核動力航空器,追求的都是超長甚至接近無限的續航力,以進行洲際攻擊任務,當時出現的主要是核轟炸機和巡航導彈。就現有科技而言,反應堆一經啟動,因為控制功率的手段主要是控制棒的伸縮,輸出功率變化遠慢於噴入多少燃油來決定推力的一般石化燃料動力的飛機,加上普遍重量過大並需要空間安裝屏蔽高劑量輻射的結構材料,核動力似乎一開始就不是高速機和戰鬥機級別飛機的理想動力選擇。
回到戰術導彈,雖然沒有載人的考慮,但反應堆連固體燃料與控制棒的重量還是擺在眼前,重量還是限制速度,而且由於體積大幅縮小,就算有直徑1米的彈身,反應堆最多也可能只有1-4 MWt的熱功率,在熱能轉渦扇動能的過程中,可能只有2-3千公斤級的推力而已,對於數噸的彈體而言,也很難達到超音速水平,加上若提升至超音速,高速空氣對於反應堆堆芯或傳熱管道(尤其是開式反應堆)可能造成很大的損壞,甚至墜毀。至少就現在階段,核動力很難造到長期較高超音速的速度,也就很難利用速度突防。雖然能低空飛行及用不同角度突入,但若有更全面的空中預警系統,仍然可被及早發現,攔截的成功率也隨之增加……
X-6 / NB-36H核子動力試驗飛機,由B-36戰略轟炸機改裝而成,但該機只裝了一個核反應堆及輻射屏蔽結構,並未能利用其能源推動飛機。其機載1 MWt反應堆連屏蔽結構足足有16噸重。(圖片來自連結)
3. 無法空射 彈性更低?
由過去多次測試可知,這飛彈運作的關鍵時刻,是由火箭推力切換至核反應堆噴射引擎的時間,若火箭關機時引擎堆力還是不足夠,那就很可能直接失控掉下來。之前幾次發射後只飛了一段短時間就墜毀,可能就是這原因導致;若果能改作空射的話,載機能給予的持續初始速度,應該能讓導彈的發射成功率大幅提高
就俄國媒體對9M730僅有的描述及片段,可知這彈雖然比KH-101巡航導彈重三倍以上,但體積仍在可接受水平,甚至不會比過去的超音速大型巡航導彈大,幾種轟炸機都應能搭載;然而就現時的資料而言,幾乎全部都指這種導彈無法空射,只能作陸上部署。個人估計有較大可能是現役轟炸機需要作重大改裝才能操作這種巡航導彈,而且其反應堆要在空中甚至滑跑前就要起動,彈體也未必有很多輻射屏蔽措施,載機本身要裝載更多防護措施,方可避免機員及機上重要電子零件被輻射所傷。
單單TU-22M3的最大載彈量已達24噸,甚至連6噸級的KH-22都可掛3發,要說沒法搭載空射型9M730根本說不過去。(圖片來自連結1)
若不能實施空射的話,準備使用9M730前,發射陣地可能要做不少準備工作,較有機會被偵察衛星拍攝到蛛絲馬跡,進而讓戰略對手有所防範,從而可能損失相當大的突然性。
80年中期代開始,美蘇兩國核反擊的速度已大幅提高至15-20分鐘之內,甚至只要確認有大量導彈在彈道中段,就可以在導彈擊中目標前發動全面核反擊,圖片截自電影"Wargames(1983))
4. 戰略戰術用途模糊?
作為一直宣傳的戰略「神器」,人類第一種實用化的核動力航空兵器有且異於常規的打擊方法,然而,這些特異性能究竟是否和核戰略契合?這似乎就有點說不清了,至少就運用上而言,似乎有點和現時核戰略銜接不上。
需要留意的是,蘇聯時代除了美蘇戰略核大戰之外,在歐洲仍有可能發生以戰術核武打擊軍事設施甚至戰場上部隊的「小核戰」,配搭20萬噸標準常量核彈頭的KH-55巡航導彈就是用來應付這種情況,不過這種條件在冷戰以後就不存在了,核彈頭在限武條約生效後就集中到戰略核武上,戰術核武幾乎都消失了,原本在戰術核打擊上大有可為的9M730,現在都要作為戰略核武運用,然而……
相比於射程無限,反應很慢的巡航導彈,高超音速武器無論在常規還是戰術核攻擊中都有最短時間內打擊重要目標的優勢。當年美國曾準備發展的大型超音速核動力導彈SLAM,都是因為美軍的中程及洲際彈道導彈也已發展成熟,最終沒再發展下去。圖為潛射艦射及(將來)陸射皆可的3M22鋯石極超音速巡航導彈,雖然主要用來反艦,但也有發展成高速巡航導彈的打算。(圖片來自連結)
9M730幾乎肯定不適合一般戰術環境使用,因為即使真的用上溶鹽反應堆,飛行途中的核洩漏降至非常低的水平,但就算以常規彈頭進行攻擊,爆炸也會造成核燃料洩漏甚至直接氣化,造成嚴重核污染;其次,若作為首輪戰略打擊的武器,其飛行路線難測,也享有地球曲率優勢,但擊中目標需要時間相當長,也更容易被對手發覺而發動先制核攻擊;若作為戰略反擊武器,那就更慢了,五至六小時才到達目標的話,核交換都已經用上幾次了,目標隨時都變成廢墟吧,真的已不知道有什麼好炸了。
反應堆作為超長運作時間的無人載具,反而似乎相當合適,因為它同時解決了能源供應時間與供應量的問題,讓載具可超長時間運作同時,又能支撐更多偵察或電子設備的運作,且電量理論上連大型雷達都可支持,事實上,美國2012年時就曾探討過使用核動力作為大型偵察無人機動力與電力供應的先期研究(然而部分資料說研究已終止,就不知是否真的)。圖左為似乎可兼作水下偵察載具的海神超大型核動力戰略魚雷,右為美軍的RQ-4型大型無人偵察機。更為大型的隱身偵察機RQ-180已經小批量服役,而其體積其實更適合裝入小型核反應堆。(圖片及資料來自網絡及連結1)
後記:核動力航空器「另有其機」?
9M730似乎不太扣合於現存的核戰略上,運用起來也相當麻煩,打擊能力也未見突出。不過核動力引擎在另一種航空器上似乎還有作用:大型超長航時滯空的無人機其實更適合以核動力引擎作為動力,若果飛行高度在中平流層的話,甚至可能飛整整一星期都不用落地,而且相對更充足的電能也能供應更多電子偵察乃至干擾儀器,並有能力作為大型預警平台。有沒有可能,9M730其實只是作為一個實驗平台並取得更多資源與優先權,用以發展更可靠的軍用航空核動力?
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