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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

朝鲜火箭发射FAQ  

2012-04-12 10:37:30|  分类: Missile |  标签: |举报 |字号 订阅

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3月中旬朝鲜宣布发射银河三号火箭后,相关话题都讨论烂了,我也就不再些什么分析,干脆记录下点东西吧:
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鉴于已经有了个FAQ,我的内容大量搬运那里的,不过那个FAQ是英文,连接如下:
http://cns.miis.edu/stories/120410_dprk_rocket_launch_faq.htm

首先看发射时间:
http://www.kcna.co.jp/item/2012/201203/news16/20120316-20ee.html
朝鲜新闻社报道朝鲜将在4月12日到16日间使用银河三号火箭发射光明行三号卫星,庆祝金正日诞辰100周年

首先说发射场,这次发射使用朝鲜新建成的位于东仓里的西海发射场:
请看一个朝鲜研究网站38north的发射场图片:
http://38north.org/2012/04/tongchang0401/
西海发射场经纬度:39°39'35.88"N, 124°42'20.43"E
对于这个发射场,kktt翻译了38north网站的内容,撰文在此:
http://liuqiankktt.blog.163.com/blog/static/121264211201234202647/

从卫星图片和近期朝鲜开放外国媒体参观后拍摄的实地图片看,发射塔高度远高于30米长度的银河三号火箭,这证实了朝鲜宣布研究更大的火箭的报道。意味着银河三号的大浦洞二号导弹是朝鲜远程导弹研制的开始而不是结束,朝鲜肯定会研制出类似我国DF-5的真正的洲际导弹,而不是现在类似DF-4的大浦洞二号导弹,当然,谁也不知道什么时候能完成研制定型,由我国洲际导弹的发展过程看,从简单的发射卫星成功到实际的洲际导弹形成战斗力,用了20多年时间,朝鲜恐怕也不会更短。


对于这次发射,研究朝鲜的一个网站拿到了朝鲜向国际海事组织提交的文件:
www.northkoreatech.org/2012/03/21/exclusive-north-koreas-expected-rocket-trajectory/
朝鲜火箭发射的点点滴滴 - squirrel - 松鼠的空天随笔
 
同时NOTAM也公布出来:
NOTAM for the southern closure area
B0372/12 NOTAMN
Q) RPHI/QRALW/IV/NBO/W /000/999/1716N12415E134
A) RPHI B) 1204112200 C) 1204160300
D) DAILY 2200-0300
E) EXER CTN WHEN NAVIGATING ON AIRWAYS A582, R597, A590 THAT
TRAVERSE SATELLITE LAUNCHING FALLING AREA BOUNDED BY
THE FLW COORD:
FM POINT
19 24 32N 123 54 26E
19 23 08N 124 45 13E
15 08 19N 124 46 15E
15 09 35N 123 45 27E
TO ORIGIN
F) SFC G) UNL
CREATED: 21 Mar 2012 09:56:00
SOURCE: EUECYIYN

根据NOTAM和朝鲜向国际海事组织提供的文件,很多人都做了弹道分析,银河三号一二级的落区被明确标出来。如图:
朝鲜火箭发射FAQ - squirrel - 松鼠的空天随笔
 
不过出现了一个问题。按照一二级落区推算的轨道,并不能将卫星送入太阳同步轨道( sun-synchronous orbit),这是卫星观测组织satobs的网友Ted Molczan最先发现的:
http://www.satobs.org/seesat/Apr-2012/0011.html
To be sun-synchronous, a 500 km orbit requires an inclination of 97.42 deg. At the latitude of the launch site, a
trajectory that directly ascends to that inclination requires a launch azimuth of approximately 192.3 deg (12.3 deg west
of due south). The azimuth from the launch site through the various impact zones downrange should agree closely with
this value, typically within a degree or so, absent any significant yaw-steering (aka dogleg) early in the ascent.

The azimuth from the launch site to the midpoint of the southern boundary of the 2nd stage's impact zone (approx. 15.15
N, 124.26 E) is 181.0 deg, which is far from the required 192.3 deg.on requires a launch azimuth of approximately 192.3 deg
500公里高度SSO轨道倾角为97.42度,需要的发射方位角为192.3度(偏西南12.3度),可是朝鲜公布的落区是181度,几乎是正南。对此大家猜测第三级火箭会做机动修正弹道,好事的kktt还计算了需要的ΔV
粗略估算。
从二级残骸溅落距离~2500 km估算,二三级分离速度~4.5 km/s。
500 km SSO的入轨速度是~7.3 km/s
那么三级本来只需要2.8 km/s的速度增量,但由于需要dogleg机动,实际需要的速度增量为~2.93 km/s。
假设三级真空比冲为2650, 总质量1.5t,则运载能力损失~30 kg。

这个猜测,再后来得到了朝鲜发射控制中心屏幕显示的证实:
朝鲜火箭发射的点点滴滴 - squirrel - 松鼠的空天随笔
 从图上看,卫星轨道就是97度,这说明火箭第三级有明显的偏航机动。
9ifly的网友darklighter根据相关信息做了分析

第一幅视频截图中明显可见一条穿过澳大利亚西海岸的线条,方向与500km SSO轨道的星下点轨迹或卫星相对地面运动轨迹一致,表示的是卫星入轨后的状态。如果此图准确,说明目标轨道确为SSO,且通过第三级加偏航的方式同时满足了二子级残骸落区和目标轨道倾角约束。

由于此图清晰度较差,先不直接进行图上测量,而是在火箭为三级的前提下,全面分析一下此发火箭可能的飞行方案。

1.二级关机后,三级立即点火,一次工作完毕
根据该火箭一、二级推力和起飞重量的一般估计,一、二级总工作时间大概不超过4分钟,二级关机时航程为数百km量级。此种方案上升弹道非常陡峭,入轨前要采用俯冲姿态主动“压平”弹道,运载能力损失很大,对于发动机工作时间短的火箭尤其严重,但对火箭的技术要求最小。

2.二级关机后,三级先滑行一段时间再点火,一次工作完毕
理论上最合理的三级点火时机是二级关机后轨道的远地点附近,航程大约为二子级残骸射程的一半,约1250km。此种方案运载能力较大,但要求三级具备滑行段姿态控制能力,需要安装一套小型姿控推力器及相关系统。

3.三级二次点火
二、三级分离后,三级一次点火,进入转移轨道,滑行至高度接近500km后,三级二次点火,进入目标轨道。考虑到朝鲜陆上测控能力限制,航程限制在约 2500km以内(朝鲜最南部设站仍有2°仰角)。此方案运载能力最大,但需要三级发动机具备二次启动能力,同时也要求滑行段姿控能力。三级两次工作段都 加适当的偏航运载能力最优。
以下是三种飞行方式的箭、星下点轨迹示意图。
朝鲜火箭发射的点点滴滴 - squirrel - 松鼠的空天随笔
 
其中红线是二子级残骸的箭下点轨迹。三条黄线从左至右分别是方案1、2、3(只有二次工作段加偏航)的箭、星下点轨迹。图中绿线是方案3两次工作段都加偏航,以获得最大运载能力的箭、星下点轨迹。
注:由于没有准确数据来源,以上图形只做示意用。

下图是上图中三条黄线经过南半球时的情况,可见,方案3与视频截图吻合相当好,方案1最不吻合。但是为什么与只有二次工作段加偏航的轨迹更吻合,而不是与最大运载能力的轨迹更吻合,是一个尚不能解释的疑问。
朝鲜火箭发射的点点滴滴 - squirrel - 松鼠的空天随笔
 


据此分析,方案1基本可排除,方案3可能性最大。说明朝鲜此次发射所用火箭第三级很可能具备滑行能力,并值得关注其是否具有二次启动能力。
编辑:翻了翻前面的资料,发现自己没有注意到火箭三子级可能类似于伊朗“使者”的二子级,工作时间相对较长。如果如150楼所述,各级发动机总工作时间达到9分钟的话,那么在2500km或更短的航程中,估计没有必要加入滑行段了。以上结论请忽略……

分析2
更清晰的视频截图提供了对卫星目标轨道进行图上测量的条件:
朝鲜火箭发射的点点滴滴 - squirrel - 松鼠的空天随笔
 
首先,值得注意的是,轨迹顶部有超出地球表面的部分,所以不是星下点轨迹。该轨迹与地心惯性系下500km圆形SSO(97.4度倾角)的卫星运动轨迹非常吻合,再一次确认目标轨道为SSO。
可从图中测量,轨道第一圈降交点经度约为119.3度。据此绘制下图(使用Google Earth软件):
朝鲜火箭发射的点点滴滴 - squirrel - 松鼠的空天随笔
 
图中红线是二子级残骸的箭下点轨迹,黄线是目标轨道星下点轨迹。
如依一些估计,三级发动机工作时间为5分钟或更长,则三级航程可能有1500km或更长,不需要滑行段即可满足入轨条件。绿线是三级飞行箭下点轨迹的示意。
Ted Molczan根据同样的视频和假设的起飞时间给出了初步轨根,但是他不知出于何种原因是按94.45度倾角估计的。
http://www.satobs.org/seesat/Apr-2012/0113.html


satobs的网友Ted Molczan在这几天里也给出了不少示意图:
4月8日,http://www.satobs.org/seesat/Apr-2012/0083.html:
朝鲜火箭发射的点点滴滴 - squirrel - 松鼠的空天随笔
 4月11日,http://www.satobs.org/seesat/Apr-2012/0113.html:
http://satobs.org/seesat_ref/misc/NK-2012-retrograde-1a.jpg
http://satobs.org/seesat_ref/misc/NK-2012-retrograde-2a.jpg


这次发射对国际舆论的影响很大,犹如在平静的水面上投下了一块巨石,哦,或许说2000磅GBU-31/MK-84更确切。2009年联合国已经通过决议,要求朝鲜不要进行核试验和基于弹道导弹技术的发射活动,以此为尚方宝剑,美日韩都发出了强烈的反对声音,日本最先提出可能对其进行拦截。当然这个拦截并不是拦截朝鲜火箭发射,而是在朝鲜火箭发射失败或是脱落的部件落下日本国土时以防万一的措施,拦截的是发射失败的箭体或是脱落的箭体部分。
朝鲜火箭发射的点点滴滴 - squirrel - 松鼠的空天随笔
 
那么日本有没有可能拦截正常发射的朝鲜火箭呢,我曾做过估算,认为SM-3 Block IA的拦截高度不足。巧合的是,外国网站也作出了同样的估计:
http://allthingsnuclear.org/post/20784625921/us-japan-sk-cant-shoot-down-north-koreas-rocket

外界对朝鲜发射火箭持反对态度,主要是两个说法,其一是借机测试远程导弹或者就是远程导弹,其二是发射失败对周边国家带来损害,其中第二点其实非常牵强。不过第一点测试远程导弹,其实是根本无法洗清的事情,现有各航天强国早期的运载火箭,除了日本独树一帜由东大的探空火箭放大而来的四级无控火箭L4S外,其他都是由弹道导弹技术衍生而来。日本也是拿到了美国的Thor-Delta火箭技术,才一跃成为航天强国的,靠L4火箭继续发展,到现在也就是大号M5火箭的水平。朝鲜没有好干爹给先进技术,也只能走其他国家的老路,用弹道导弹改了。
btw,L4火箭是东大的神作,参见官方资料:
http://www.isas.jaxa.jp/e/enterp/rockets/vehicles/index.shtml
http://www.isas.jaxa.jp/e/enterp/rockets/vehicles/l-4s/index.shtml
无控四级火箭,倾斜发射,靠重力在滑行段转向压平弹道入轨。其实真说起来,L4S火箭的危险性比朝鲜人的银河三号大得多,这可是货真价实的无控火箭,不过冷战年代的1970年没人在乎这个。

那么朝鲜这次发射,到底是发射卫星还是发射导弹呢,从2009年的火箭发射看,朝鲜并没有食言借机发射远程弹道导弹,这次发射从一二级落区看,也是典型的卫星发射,这比我国当年厚着脸皮说“向南太平洋发射运载火箭”以及“水下发射运载火箭成功”要强多了。当年我国已经亲美反苏了,西方权衡利弊得失选择无视,甚至美国官方都为为“向南太平洋发射运载火箭”的580任务打掩护,而朝鲜一直被美日韩敌视,国际环境不同,朝鲜人自能徒呼奈何,为啥我等只是小中华不是大中华呢朝鲜火箭发射的点点滴滴 - squirrel - 松鼠的空天随笔。要知道我国当年580任务DF-5全程试验打了9000公里的射程,这就是打美国本土的洲际导弹:-)当然我国也做了点掩饰,号称8000公里射程定型,表示这是打到莫斯科的弹道导弹朝鲜火箭发射的点点滴滴 - squirrel - 松鼠的空天随笔

很多人要问,洲际导弹发射和运载火箭发射有什么区别么,当然,飞行弹道上区别很大,如下图:
朝鲜火箭发射的点点滴滴 - squirrel - 松鼠的空天随笔
助推段弹道对比

朝鲜火箭发射的点点滴滴 - squirrel - 松鼠的空天随笔
上升段弹道对比

朝鲜火箭发射的点点滴滴 - squirrel - 松鼠的空天随笔
弹道导弹不同弹道示意图(kktt原版截图)

从以上三幅图我们可以看到,正常的弹道导弹最小能量弹道(最大射程弹道)和高弹道、低弹道试验的弹道轨迹都和卫星发射的弹道截然不同,而根据落区分析的银河三号火箭弹道,也的确和远程弹道导弹的全程试射完全不同。

那么银河三号火箭作为弹道导弹使用,性能如何呢?首先我们要分清一件事,银河三号火箭由大浦洞二号导弹发展而来,但并非大浦洞二号导弹,大浦东二号导弹是二级液体弹道导弹,而银河三号火箭是三级运载火箭,第三级可能是固体发动机,也可能是液体发动机。2006年朝鲜发射了大浦洞二号导弹,从电视截图看很明显是二级导弹:
朝鲜火箭发射的点点滴滴 - squirrel - 松鼠的空天随笔
 2006年大浦洞二号导弹的截图

作为一种二级液体远程导弹,其性能和DF-4导弹相近,考虑到各方面技术的差距,总体性能还要差一些。那么银河三号火箭呢,航空周刊的文章认为,银河三号作为弹道导弹使用时可以将1吨弹头头送到6700公里处。这个性能按中国的标准远远算不上什么洲际导弹,当然按美国的洲际导弹射程5500公里标准,的确是洲际导弹了,不过是连夏威夷都打不到的洲际导弹。
 
 
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