2017年：官泄“北极星”3导弹

　　“北极星”3导弹是由朝鲜国防科学院负责研制的，是“北极星”1和“北极星”2的升级型号。朝鲜国防科学院成立于上世纪60年代初，负责与国防相关的所有研究开发。该院设有导弹部、电气与电子部、金属与化学材料部，和位于成兴的化学研究所、定州的生物学研究所、博川的原子能研究中心、江界的电子制导研究所等40个研究所，此外还包括江界军事研究院、宁边原子能研究中心等其它科研机构。可以说，国防科学院是朝鲜军工体系的“大脑”。
　　2017年8月23日，朝鲜官方媒体《劳动新闻》的电子报刊发表了金正恩视察朝鲜国防科学院化学材料研究所的报道。该研究所主要负责研究、研发和生产“火星”系列洲际弹道导弹的耐热材料和弹头、发动机喷射口材料等化学材料。该研究所的研究成果对朝鲜洲际彈道导弹的成功发射有重要贡献。当天的视察中，金正恩访问了该研究所下属的一个工厂，该厂为弹道导弹制造固体火箭发动机。在朝中社发布的金正恩参观某个厂房的照片中，金正恩与研究所相关人员谈笑时，可以看到墙上悬挂的展示板中出现了名为“水中战略弹道导弹‘北极星’3”设计图以及复合材料的技术参数。此外，还有一张写着“火星”13的说明图以及技术参数，看似装着导弹的圆筒的断面图。朝鲜正试图告诉世界，其重返大气层和固体燃料技术不再是试验性的，而是已经达到量产阶段。
　　这是“北极星”3导弹这一型号首次露面。有不少分析家认为，《劳动新闻》的报道很可能是朝鲜官方对“北极星”3故意制造的“一次不经意的官泄”，实际上是在暗示，平壤已着手开发使用固体燃料的新型潜射弹道导弹。从金正恩这个时候的视察来看，说明在2017年“北极星”3潜射弹道导弹已经获得突破，朝鲜将会在发展陆上洲际弹道导弹和潜射远程弹道导弹的道路上继续走下去。
　　在一个展览上，展示了4D碳一碳复合材料的技术规格，并表明它可以用于导弹部件，如前锥和排气喷嘴。照片中展示的插图是高度程式化的，重点放在发动机舱和弹头的鼻锥，表明它们旨在强调未来导弹的级间、结构元件和再入飞行器复合材料的使用。虽然一些分析人士认为这是一种固体燃料设计，但很难根据图示确定这一点，2012年和随后的游行中展示的“火星”13号似乎是液体燃料。
　　金正恩参观新建的革命史迹教育室和科技成果展览室后，了解了洲际弹道导弹战斗部头部和固体火箭发动机制作工序。

复合材料与朝鲜的固体火箭发动机

　　固体火箭发动机主要由壳体、固体推进剂、喷管组件、点火装置和辅助部件等五部分组成。发动机外壳充当导弹的结构框架，容纳固体推进剂，并在运行期间充当燃烧室。发动机外壳传统上由金属制成，如铝合金、马氏体时效钢或钛。然而，为了优化性能，设计师更喜欢使用高强度、轻质的复合材料。碳基复合材料外壳是用薄的芳纶或碳纤维与环氧树脂结合在一起制成的，类似于玻璃纤维。由专门的机器用来生产环氧树脂浸渍纤维，并将纤维缠绕在模具上，形成一个大容器或外壳。复合材料的使用可以显著提高导弹的性能。
　　碳一碳复合材料具有密度低、强度高、模量大、耐烧蚀、抗热震等特点，在高温状态下具有优良的强度保持率，是较为理想的高温结构材料之一。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体、箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上，碳一碳和碳一酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料。碳一碳最早用作发动机喷管喉衬，并由二维、三向发展到四向及更多向。
　　火箭发动机的喷管用于超音速排出燃气，产生推力，是燃料燃烧产生的热能转变成动能所必须的关键部件。喷管材料必须经受住以下几个方面的考验：2000℃～3500℃的高温，灼热表面的超高速加热的热冲击;高热梯度引起的热应力，高压力，长时间在高速腐蚀性气体中的暴露等。碳一碳复合材料是制造固体火箭发动机喷管理想的耐烧蚀防热材料。
　　固体火箭发动机的壳体即为燃烧室，其烧蚀层与绝热层设计是关键问题之一。实验显示：高熔点金属强度高，但承受高温能力差而且笨重：高性能合成石墨材料（如美国的ATI石墨）高温稳定性好、质量轻，但其机械性能欠佳，往往还需用钢或铝合金之类的结构材料给予支撑，而钢和铝材料自身又需高温保护，这会进一步增加喷管的质量。用高强度碳纤维编制缠绕增强塑料制成火箭发动机壳体，可以解决这一矛盾，碳一碳复合材料具有强度/质量大的优势，用之可以较大幅度地改善火箭发动机壳体的性能。

　　在高温下烧蚀（熔化）的碳纤维复合材料是保障弹头以洲际弹道导弹速度重返大气层的理想材料。碳纤维复合材料在美国“侏儒”、“民兵”、“三叉戟”等战略导弹上均已成熟应用，美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料，如美国“三叉戟”2导弹、“战斧”巡航导弹、“大力神”4火箭，法国的M51潜射弹道导弹、“阿里安”2火箭改型，日本的M-5火箭等发动机壳体。俄罗斯海上导弹系统中的佼佼者“圆锤”（布拉瓦）潜射弹道导弹的发动机喷管及大面积防热层，也使用了黏胶基碳纤维增强的酚醛复合材料。
　　金正恩视察化学材料研究所时，身边的一个大型青铜色筒状物体，是一种先进的轻型外壳，被设计用来存放固体推进剂。它的直径大约为1.4-1.5米，与朝鲜当时研制出的两种固体燃料导弹（潜射弹道导弹“北极星”1和陆基弹道导弹“北极星”2）一致。在背景中的一扇窗户后面，可以看到一台纤维缠绕机。它可能用于制造复合发动机外壳。目前尚不清楚该机器是否能生产直径大于1.5米的发动机外壳。否则，朝鲜将需要获得一台更大的绕线机，以生产足够大的发动机外壳，为洲际弹道导弹提供足够的动力。

　　用重量较轻的复合材料发动机外壳而不是金属外壳制造“北极星”3可以让导弹飞得更远，尽管确切的射程还很难确定。如果朝鲜掌握了生产工艺，维持了制造外壳所需的长丝和树脂的可靠供应链，并坚持严格的质量控制程序，那么“北极星”3可能达到2000千米的射程。掌握这些过程可能需要几年的时间，而实现的射程扩展可能达几百千米，超出“北极星”1和“北极星”2的射程（约为1200千米）。
　　获得纤维缠绕机可能有助于朝鲜实现一个长期目标：制造固体燃料洲际弹道导弹。虽然复合材料外壳有助于朝鲜开发基于固体推进剂的洲际弹道导弹，但道路将很漫长，发展速度将取决于能否可靠、质量一致性地生产大型的固体推进剂发动机。迄今为止，朝鲜制造和试飞的最大固体发动机是“北极星”号的第一级，重约6000-7000千克。洲际弹道导弹一级发动机的重量约为20000千克。以美苏等大国的历史经验作为评判标准，从生产6吨级发动机到生产20吨级发动机需要7到10年的努力。朝鲜或许可以通过走捷径，降低性能和可靠性，将时间期限缩短几年。但鉴于朝鲜在固体推进剂生产方面缺乏经验，基于固体燃料的洲际弹道导弹不太可能在10年内投入使用。

关于化学材料研究所

　　化学材料研究所成立于20世纪70年代，负责化工、化肥、机械、采矿、塑料、电信、运输和国防等领域各种工业应用材料的实际研发项目。自20世纪90年代以来，一直同时参与多项空间和弹道导弹项目的研发。至少从2010年起，其中一个项目就是弹道导弹用纤维缠绕火箭发动机外壳的研发。2017年底，化学材料研究所开始为这些外壳建立生产设施。截至2018年7月中旬，新生产设施已完工。在朝鲜制定的2016年1月1日至2021年1月1日的五年计划中，固体发动机弹道导弹研发/生产基础设施扩建计划是重要的一部分。固体火箭发动机的外壳的批量生产使朝鲜能够部署更多的固体燃料弹道导弹，这种系统可能比目前在朝鲜人民军服役的许多“飞毛腿”液体燃料导弹系统更有作战能力和生存能力。

　　朝鲜的固体火箭发动机研究、试验、开发和生产基础设施主要集中在成兴一兴南地区，该地区是朝鲜化学工业的中心。其它地方的几家工厂和研究机构也在支持，包括：化学材料研究所、维尼纶综合工厂、兴南化肥厂、固体火箭发动机试验设施、17号炸药厂以及蓬贡化工厂。

化学材料研究所在朝鲜导弹计划中的角色

　　化学材料研究所参与朝鲜的固体燃料弹道导弹计划，大概可以追溯到20世纪90年代末至21世纪初的KN-02“托克萨”（俄罗斯SS-21的朝鲜改型）计划，该研究所似乎已经参与了“北极星”1（KN-11）潜射弹道导弹项目和固体火箭发动机的开发。这项工作后来扩展到了“北极星”2以及“北极星”3导弹。
　　在2010-2012年期间，化学材料研究所的职能扩大到开发用于弹道导弹的大型纤维缠绕火箭发动机外壳。2013-2014年期间，该研究所已开始生产少量的原型外壳。大约在2015-2016年进行预生产，到2017年，技术和经验达到了批量生产阶段。尽管该研究所作为一个研究机构，缺乏进行纤维缠绕火箭发动机外壳全面生产的基础设施或制造人员，但这里有生产发动机外壳所需的专业知识和设备。因此，决定重组该研究所并建造一个生产设施。根据朝鲜的声明和已知的基础设施开发实践，新工厂和相关基础设施除了生产火箭发动机外壳外，还负有与导弹相关的额外责任（如碳一碳纤维生产等）。
　　早在2017年初，新的纤维缠绕火箭发动机外壳生产工厂的规划和设计可能就已经开始，但直到2017年8月朝鲜媒体报道金正恩访问化学材料研究所时，这才为公众所知。正是在这次访问期间，金正恩审查并最终批准了新工厂的建设计划。
　　新工厂的建设始于2017年9月，2018年1月20日和2月5日的商业卫星图像显示了两个大型的制造大厅（大约122米×32米，包括附属办公室/工程建筑）和几个办公室和支撑建筑的基础和墙壁。这张图片显示了一些独特的特征，似乎与测试或完成固体发动机外壳生产有关。其中有一个挖掘井中的圆形的地基（内部直径尺寸大约4米）在建筑物的北端，以墙顶为中心，这样一个桥式起重机可以直接位于它上面，也许是将一个火箭发动机壳体升高或降低到挖掘区域。
　　这次挖掘的目的还不清楚。一个可能的目的是在填充之前满足压力测试、脱脂或涂层纤维缠绕火箭发動机外壳的要求。如果该坑用于水压试验，压力缓慢增加，直到外壳失效，则需要一个圆顶或厚盖，以在试验过程中保持密封。然而，这种测试是危险的，几乎所有国家都在户外进行。朝鲜可能会接受这种风险，以减少间谍卫星观察到的迹象。挖掘需要足够深和宽，以满足当前计划的火箭发动机壳体以及未来制造的火箭发动机壳体的尺寸要求。第二个较小（大约2米直径，内部尺寸）的地基位于北部制造建筑物和沿东墙的中间。

　　2018年7月13日的图像显示，扩建的设施占地约17.7公顷（大于原研究所的11.3公顷）。这家新工厂已经完工，虽然与金正恩在2017年8月访问期间展示的计划不完全吻合，却非常接近。研究所的10处旧建筑和周围的建筑被夷为平地，先前的许多临时住房和储存单元已被拆除，24座新建筑被竖立起来。
　　由化学材料研究所生产的纤维缠绕火箭发动机壳体可能会被运送到17号炸药厂，以便在其新的混合/铸造工厂中填充。固体火箭燃料本身的化学材料主要是从几个设施接收的，包括附近的维尼纶综合工厂、兴南化肥厂和蓬贡化工厂。在完成混合、浇注和固化过程后，固体火箭发动机将被运送到存储设施或组装设施以最终制造弹道导弹。然后，成品弹道导弹被运送到位于全国各地的战略部队储存设施。从这些地点出发，它们将按要求分配给作战单位。位于17号炸药厂西南3.5千米处附近的固体火箭发动机试验设施，将可能用于质量控制和测试新的固体火箭发动机设计。
　　17号炸药厂（有时被称为兴南炸药厂）起源于二战时期日本占领朝鲜期间，当时它被称为“精选氨炸药厂”。它是朝鲜最大的炸药生产厂，在1960年代后期年生产量约为5500吨，约2000人。在20世纪90年代早期，由于经济崩溃和饥荒，该厂的生产和生产速度减慢。这种情况在20世纪90年代中期发生了变化，这不仅是因为经济状况逐步缓解，而且是由于生产了KN-02导弹及其固体火箭发动机。尽管目前产量和雇员人数都不得而知，但该工厂一直保持活跃和良好的维护状态。
　　该设施位于顺川港东岸（即顺川河）的西南角，占地1.9英亩。17号炸药厂按功能大致可分为六个区，北方制造和储存区的两个较大的混合/浇注区和中央管理、支持和制造区的两个较大的混合/浇注物，是朝鲜固体推进剂导弹项目最令外界关注的地方。
　　“北极星”系列导弹采用了固体燃料发动机。与液体燃料相比，固体燃料具有军事用途上的优势，因为固体燃料稳定、用途广泛，可以储存在导弹中，直到准备发射。美国科学家联合会（Federation ofAmerican Scientists）的安基特-潘达说，“北极星”3可能是朝鲜使用固体燃料射程最远的导弹。

“北极星”3导弹的尺寸

　　2017年，“北极星”3导弹概念图刚曝光后，韩国航空航天大学教授兼全球监视研究中心主任杨克昌推测，“北极星”3导弹的直径为1.9米，长度为17米，第一级长度为8.5米，第二级为4.5米。
　　当2019年朝鲜试射“北极星”3导弹后，韩国航空航天大学航空教授张英基估计，当考虑到美国、中国和俄罗斯开发和部署的早期潜射弹道导弹的尺寸以及使用它们的潜艇的尺寸时，‘北极星’3的尺寸规格很可能与这些早期型号相当，它的直径可能在1.5-1.65米左右。美国“北极星”（UGM-27）潜射弹道导弹直径为1.37米，法国早期的潜射弹道导弹直径为1.5米，中国的JL-1为1.4米。朝鲜“北极星”3的第一级发动机大约是第二级发动机的两倍大。这一比例与美国、法国和中国的潜射导弹相似。这些相似性是由工程优化驱动的，而不是一个国家模仿另一个国家的设计决策。

　　在美国约翰霍普金斯大学所办的智库网站，国际战略研究所（IISS）导弹专家迈克尔·埃勒曼发表的一篇文章中说，从现有的照片中不可能提取出导弹的绝对尺寸。根据照片估计，“北极星”3导弹的直径可能在1.4-1.5米之间，导弹的长度约为其直径的5.48倍，长度可能在7.8-8.3米之间，这使得它类似于“北极星”2。“这一估计也与‘北极星’3将附属于3000吨级潜艇的假设相吻合”。