最近AIM-260的消息開始陸陸續續爆出來了。
其實,在半年前就發過一篇文章《為F-35站臺,美軍開發AIM-260——目標明確:狙殺中國殲-20》,給大家講過為什么美國開始不計成本地研制AIM-260聯合先進戰術導彈(JATM)。事情來自2016年年底美空軍例行的一次兵棋推演,美軍將咱們的PL-15導彈參數帶入了兵棋推演中,發現美國的AIM-120D導彈已經在中國的空戰體系下不占優勢了。
那次推演的結果讓美軍高層坐不住了。F-35作為美軍的主力隱身戰機,靠著AIM-120D在超視距空戰中面對殲-20和PL-15時,完全是被壓著打的局面——射程不夠遠,末端追不上殲-20的高機動性,連跑都跑不掉。于是,AIM-260項目在2017年悄悄啟動,美軍的目標很明確:打造一款能“狙殺”殲-20的導彈,奪回空中優勢。
W君本身就是學高能材料的,所以對于火箭導彈這些東西還是有先天的buff的,那么我們就來聊聊這款導彈。
不過,要了解JATM,我們就不得不看一下JATM的競品PL-15,畢竟沒有對比,就沒有傷害。
PL-15的技術水平并不高,中國軍工是個傻憨憨
不吹不黑,如果對比AIM-120系列的導彈,我們的PL-15本身的技術水平并沒有大家想象的那么高。為什么這樣說呢?
PL-15的研制工作大約在2005年左右啟動,由中國航天科工集團負責開發。該導彈的目標是比PL-12在射程、制導能力、抗干擾能力等方面有全面提升。主要的研制目標和美國研制JATM一樣是為了對付對方的導彈獲得作戰過程中的優勢。我們對標的就是AIM-120導彈了。為此我們在PL-12的基礎上采用更先進的主動雷達制導頭,讓導彈可以在復雜的電磁環境下鎖定目標;增加了數據鏈中繼能力,這點有點像mesh路由器了,導彈、載機、無人機之間可以建立mesh數據網絡進行數據中繼,可以實時的修正導彈彈道。而設計方更大的心思在于不遺余力的增加導彈的射程,例如我們可以發現PL-15導彈的尾部是收縮的。
這個方案是在PL-15上首先提出的,這種技術并不算是一個新技術,而是在很多炮彈上會采用這樣的設計思路,為的就是降低炮彈在空氣中飛行的阻力讓炮彈獲得更大的射程。
從通常導彈的設計要點上由于導彈本身是可以向后噴出燃氣補充后部的低壓區域,因此在導彈上并不會采用這樣的設計思路。
但對于PL-15來說被證明是有效的,以至于在2010年之后美國生產的AIM-120D也有意的改進了尾部的設計。
當然了這個消息是美國自己發現的,還是咱們露出去的就各有各的說法了。
這是PL-15上抖機靈的地方,但為什么說PL-15的設計師是個傻憨憨呢?在PL-15上我們除了為了提高射程采用了更優化的氣動設計之外,還采用了更傻更笨的做法,也就是加大彈徑加大彈長。我們自用的PL-15導彈長度達到了4.15米,彈徑達到了210毫米。對比外貿版本的PL-15E其實是大上了一圈。
也就是因為如此,用這種大力出奇跡的方法,再配合雙脈沖發動機,讓PL-15有了接近300公里的射程。
這里有個關鍵詞:“大尺寸”。這玩意兒聽著威猛,但也暴露了中國軍工的“憨憨”本質——技術不夠,體格來湊。
美國的困局——“短視”受困
和目前不太依賴國外武器的中國不同,美國的武器是有出口需求而且是有推行“北約標準”的義務的。和中國的導彈可以在一定范圍內“自定義”尺寸不同,美國的中程空對空導彈要面對的是很多國際客戶的不同使用和存儲平臺。
這就導致了美國的空對空導彈設計必須在一個固定的尺寸框架之內。例如導彈的長度,永遠被限制在了12英尺(3.66米),彈徑永遠要小于8英寸(203mm)。這是一個標準框架不僅僅是導彈的生產、倉儲、運輸,導彈的裝載和使用也都以這個尺寸為限度。例如最早在越戰中使用的AIM-7麻雀導彈就被定義了這個尺寸。到了AIM-120甚至又進一步縮小了彈徑把8英寸改成了7英寸。
以至于帶著流星導彈等一系列歐洲的新導彈都采用了7英寸的彈徑。在現在看,其實這樣做是相當“短視”的,無異于給自己的發展畫了一個不可逾越的界限。
雖然這套“短視”設計有它的道理。標準化方便生產、運輸、裝載,F-35的內置彈艙、F-16的掛架都能無縫兼容。但問題來了:尺寸限制就像個緊箍咒,想加射程只能在燃料效率和發動機設計上摳細節,沒法像PL-15這樣“隨便長”。AIM-120D的射程撐死160公里,面對PL-15的200-300公里,根本不夠看。
而且這套“短視”的問題也導致了更嚴重的后果,美國在設計隱身戰斗機的時候,因為導彈的長度設計尺寸有了個上限,于是武器艙的存儲尺寸也就有了一個上限為 13.4 英寸深x 33.9 英寸寬 x 156 英寸長也就是 0.34 米 x 0.86 米 x 3.96 米,一架F-22主彈倉內部有兩個并排的武器存儲區域。
F-35作為“聯合打擊戰斗機”(JSF),彈艙設計倒是稍微放寬了點,能硬塞進4.26米的AGM-158C——但這真是“硬塞”,空間擠得跟沙丁魚罐頭似的,導彈再長一點就徹底沒戲了。
所以,美國這次是被幾十年前的一次“短視”扣住了咽喉。這道理其實就是航天飛機的尺寸由馬屁股寬度決定的現代版——當年羅馬人用馬拉車,車寬定死了,鐵路繼承了,航天飛機的運載火箭也跟著受限。現在呢?越戰時定個“12英尺7英寸”的框框,半個世紀后,AIM-260還得在這框里憋大招,真是自討苦吃。本來可以大力出奇跡的事情,就愣是讓美國人把格局玩小了。
美國如何破局?AIM-260的發動機特點
這就回到了W君的專業了。導彈是由固體火箭發動機驅動的,在尺寸不能隨意擴大的基礎上,最好的辦法就是改固體火箭發動機的燃料配方了。
通常,固體火箭發動機相對流行的燃料配方是基于AP/HTPB+鋁成分的傳統高性能推進劑。AP是指過氯酸胺。
這是一種強氧化劑,主要作為固體燃料火箭發動機燃燒時候氧化劑的來源。
HTPB為端羥基聚丁二烯,一種半透明的液體,顏色類似于蠟紙,粘度類似于玉米糖漿。
不過,要注意的一點是HTPB并不是指一種單一的化合物,大部分HTPB是一種混合物根據官能團的不同會有不同的特性。
為什么用它?有兩個原因,第一是這玩意高度易燃,第二就是在微量固化劑的作用下這玩意可以凝結成質地均一的固體并且可以保持內部容載物的均勻分布,所以這玩意還被當作固體火箭發動機藥柱的粘接劑。
再然后就是鋁粉了,鋁粉在有氧化劑的環境下燃燒可以釋放大量的熱量。也正因為鋁粉所釋放的大量熱可以保證火箭發動機的燃燒穩定性,同時極高的燃燒溫度有助于火箭發動機產生的燃氣高速膨脹提高排氣速度。
這三者的合理組合就是我們常用的軍火固體火箭發動機藥柱了。不過,如果我們上升到材料學到角度就要遵從“結構決定特性、特性決定用途”的材料學精神了。
更深的研究就是不同組分顆粒大小和組合方式的微觀結構特性了。
例如材料中的AP、AL的尺寸具體要多大,空間分布是怎樣的都是火箭發動機性能至關重要的基礎條件。
AP、HTPB和鋁這三者的組合是軍火圈的“老三樣”,AIM-120、PL-15的火箭發動機都靠它,射程、推力都挺靠譜。但AIM-260要想在3.66米的小框框里懟到250-300公里,光靠“老三樣”怕是夠嗆。美國得加點猛料,這就輪到CL-20上場了。
CL-20,學名叫六硝基六氮雜異伍茲烷,喜歡軍事的粉絲應該都聽過這貨。從2011年開始,美國就把CL-20當成高性能固體火箭的“輔料”來研究。別看網上老說它一千美元一公斤,那是老黃歷了。現在價格早就下來了,美國猶他州大鹽湖邊上,諾斯羅普有個專門搞推進的子公司,每年能產2萬磅(9噸)CL-20。這玩意兒能量密度比HMX還高,爆炸威力是TNT的2倍,比AP/HTPB配方猛多了。諾斯羅普推進每年生產的這一部分CL-20其實主要就是用來進行測試。
很多人經常看到的在大山溝子里面搞火箭地面測試的,其實就是諾斯羅普推進流露出來的照片。
地點在這里,有興趣可以去翻翻,時不時的就會暴出一些東西。
目前美國的路子是把CL-20加到火箭推進劑里面提高火箭推進劑的能量,同時把火箭推進劑里面的一部分鋁替換出來,換成燃燒熱值更高的鎂和硼。采用更高效的GAP替代HTPB,甚至在考慮利用納米金屬顆粒來替換原來尺度的金屬顆粒填充。
這樣做,如果成功,AIM-260導彈也有可能在雙脈沖發動機的機制之下獲得接近300公里的射程,或許會超過我們的PL-15d射程。這件事在半年后我們就可以得到驗證,畢竟,2026年是AIM-260裝備美國空軍的一個日期節點。
中國的對策,我們需要慌嗎?
談到這里就會有人問了,美國搞CL-20固體火箭發動機,那么中國跟不跟?其實,有個特別有意思的是2021年6月美國的能源技術中心的一份報告是這樣說的:
翻譯過來就是:
兩個具體案例: 美國軍方目前使用的兩種最重要的高能材料,分別誕生于 120 多年前(RDX) 和 70 年前(HMX)。同樣在 70 年前,洛斯阿拉莫斯國家實驗室 開發出了 第一種塑料粘結炸藥(PBX),以降低常規武器和核武器中高能材料的敏感性。RDX 和 HMX 代表了美國軍方在高能材料領域最后一次具有廣泛應用的重要創新。 1980 年代,美國 海軍水面武器中心(Naval Surface Weapons Center) 在 中國湖(China Lake) 開發出了一種威力更強的新材料——CL-20。CL-20 的爆炸與推進性能遠超 RDX 和 HMX。然而,蘇聯解體 后,美國軍方的項目重點從 提升殺傷力 轉向了 增強安全性、降低成本和減少風險,導致高能材料領域的研究方向發生變化。由于缺乏專項資金支持和明確需求,CL-20 并未能完成技術成熟化,也未被納入武器系統。 與此同時,中國軍方開發出了 CL-20 的工業化生產工藝,并將其集成到武器系統中。這種技術代差導致了巨大的性能差距:與美國基于 HMX 的炸藥相比,CL-20 具有 40% 的穿透深度提升,對于特定應用來說,這意味著彈頭整體殺傷力有了顯著提高。 其他高能材料的技術進展 除了 CL-20,美國在高能材料的科學與技術(S&T) 領域確實取得了一些突破,但這些新技術并未被轉化為正式裝備。例如,通過熱壓爆炸(thermobaric) 配方與反應材料(reactive materials) 結合的新機制,一枚 400 磅的炸彈可以具備當前 1000 磅炸彈的殺傷力。這意味著,在相同的總載荷下,戰機可以打擊 五個目標,而不是兩個,從而緩解當前美軍在作戰能力上的劣勢(capacity overmatch)。 然而,這些新材料本應早已催生出更強大、更緊湊的武器系統,但現實情況并非如此。主要問題在于: 高層決策者、負責制定需求的作戰開發人員(combat developers),以及具體的項目管理人員(program managers),他們要么缺乏相關認知,要么沒有動力去推動變革,亦或是根本沒有權限考慮這些更高效的新機制。 ……
其實,現在我們搞CL-20火箭要比美國搞得還早,而且我們是雙軌制。不僅僅在討論CL-20為助劑的火箭發動機,還在研究TKX-50為助劑的火箭發動機。
而且就研究結果和研究影響力來說目前還是暫時領先美國的。例如,我們要去查期刊文獻的話,我們會發現,在CL-20研究的領域其實我們的論文要比美國人和俄羅斯人的都多。
后面這件事就看大家怎么轉化為生產力了,我們的研究很多,但目前世界上關于CL-20的很一大部分專利其實是在諾斯羅普手里面。
所以,現在可能PL-15還有半年的優勢,諸君還得繼續努力。
試想,如果美國真的能在現有的尺寸框架中搞出來一款雙脈沖導彈并在PL-15的競爭中占據優勢,那么我們至少可以通過繼續擴大導彈的尺寸來“迎頭趕上”。
但如果美國不能在現有尺寸框架上搞出來一款射程比PL-15還高的導彈就有意思了,應搞一個尺寸更大的導彈就是美國的唯一選擇了,這時候就會出現美國的F-35這款低檔機能裝備最高檔的導彈,而高高在上的F-22卻難以適配的問題。等F-35裝備“新導彈”的時候,就只好給F-22的飛行員一把王八盒子,讓他們去山里打白狐貍去了……笑。
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