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多国空战演习中,日本1架E-767预警机伴随6架F-15J战斗机,经过空中加油,飞越太平洋抵达美国阿拉斯加,显示日本已具有窥探世界各地的能力。
兰德公司认为,日本的核能力不在中国之下。
早在2005年日本就有核电机组54台,到2008年已突破70台,其中11台是第三代机组。
日本还计划每年兴建2台到5台第三代核电机组。
目前,日本以核电站需要为名,共保管约1万吨铀-238。
在石墨减速反应堆或重水减速反应-堆中对铀-238进行3~6个月的照射、冷却、再处理和冶炼加工就可以得到钚一239。
据估,到2010年,日本钚的储存量达80~90吨,足以制造约12000枚原子弹。
目前日本火炮的年产能力近万门。
日军现装备各种火炮5000余门。
二战时,如1941年,日本用于生产火炮的钢材占当年钢产量的3%。
如以2006年日本钢产量1.16亿吨为准计算,以3%即348万吨钢制造火炮,按每门火炮用钢10吨估算,可年产火炮35万门左右。
如果日本将目前造船能力的20%转产军舰,按5吨商船转产1吨军舰算,每年可生产70万吨军舰,这几乎是现有海自舰艇总吨数的2倍,足以让日本海军成为东北亚地区最庞大的舰队。
其多艘大型登陆舰可在48小时内改成轻型航母。
在导弹防御系统建设方面,日本建立的是“标准”3和“爱国者”3型两级拦截体系。
目前预警主要由28个固定雷达站和12个机动雷达站及“宙斯盾”舰组成。
28个固定雷达站主要配FPS-3相控阵雷达,它对远近程目标都有较强探测能力,能发现小雷达截面积的飞行目标,还备有反欺骗诱饵系统。
具有抗干扰性能。
日本从2008年开始。
每年部署一座具有跟踪弹道导弹能力的新型“未来警戒管制雷达”(FPS-XX),部署地点分别是青森县的大凑、鹿儿岛县的下甑岛和冲绳的与座岳等地区。
日本对现有预警雷达网进行的改造,标志着日本导弹防御系统进入实质运作阶段。
日本未来在西南地区部署的两座FPS-XX雷达,就是针对中国的中程弹道导弹。
美军方认为,尽管美国的预警卫星能发现并确认东亚国家发射导弹。
但由于在远东地区缺乏固定雷达装置,难以确定导弹飞行轨道,而日本的FPS-XX雷达具有这方面的优势,因此强烈要求与日本分享该型雷达搜集到的任何情报。
日本还大力发展天基侦察预警系统。
2003年发射两颗侦察卫星,2008年又发射3颗。
二、超级计算机能力
赵欣
自1976年美国克雷公司推出世界上首台运算速度达每秒2.5亿次的超级计算机以来。
超级计算机一直体现着一国的综合国力,在诸如天气预报、生命科学的基因分析、核工业和航天等领域广泛应用。
日本长年来对超级计算机的研发下了很大工夫。
1982年,日立公司开发出运算速度每秒6.3亿次的超级计算机,并用其创下计算圆周率的世界纪录。
在20世纪90年代中期,仅日立、NEC和富士通这三家企业所拥有的超级计算机,就占到全球总额的20%。
2002年,NEE研制成功的“地球模拟器”的运算速度达到36万亿次,在两年半时间中维持了世界第一的地位。
2004年10月20日宣布开发出世界运算速度最快的超级计算机SX-8,其每秒运算次数可达58万亿次,是“地球模拟器”的1.8倍。
SX-8由512台计算机连接在一起,搭载有日本电气公司开发的、科学计算专用的中央处理器。
日本由于近年来经济始终不见起色,研发资金一再掉链,致使日立、NEE和富士通这三家企业所拥有的超级计算机占全世界的比重锐降至1.4%。
作为超级计算机重要组成部分的半导体,日本在20世纪80年代曾在全世界占有半壁江山,而到2005年已落后于美国,占全球的份额退至25%。
日本民主党上台执政后,面临着严峻的经济形势和难以为继的拮据财政状况。
为了尽快走出这一困境,在编制2010年度的财政预算过程中,鸠山政府无奈之下对各政府部门的预算申请项目严格审查,许多被视为可上可不上的项目纷纷被大幅削减预算,甚至被冻结。
超级计算机也不例外。
为改变超级计算机开发江河日下的现状,日本文部科学省曾经从2006年起开始致力推动研制新一代超级计算机,其目标是在2012年实现每秒运算1亿亿次的目标,预定研发费用为1230亿日元,研发主体是理化学研究所,机房设在神户。
为了实现这一目标,日本相关企业的科研队伍正竭尽全力,携手攻关,富士通等三家企业已为此投资高达330亿~400亿日元。
然而就在这一向上冲刺的节骨眼上,鸠山政府猛砍预算项目的急风暴雨将这一项目申报的270亿日元经费削减殆尽。
实际上,这意味着该项目已被打入冷宫。
用审核预算官员的话来说,失去第一名的领先地位,天也不会塌下来,自己没有的可以去引进嘛!
2005年美国超级计算机研制经费还不到10亿美元,2009年已猛增为16亿美元。
而日本2010年的预算盘子还不到美国的五分之一,居然还成为冻结对象,日本的超级计算机真是一年不如一年。
瘦死的骆驼比马大。
在如此困难的条件下,日本仍然在前沿计算机的开发方面取得了成就。
日本国立材料科学研究所研制出了世界最小的计算机,由17个四甲基苯醌分子组成,分子直径小于1纳米,只有可见波长的几百分之一。
他们在一196℃的真空环境里,将1个四甲基苯醌分子放置在中央,作为控制部件,其它16个分子环绕它排成一圈,完成后就能在室温下工作了。
和半导体晶体管的两个状态不同,这种“分子晶体管”有4个碳氢圆锥体结构,本质上就有4个不同的方向,从而拥有四种逻辑状态,其运算速度是普通计算机的16倍。
如将分子装置从二维16分子环状结构扩展至三维的1024分子球状结构,就能同时执行1024个指令,比普通电脑快1024倍。
此外,日本于2009年7月合成出了世界首个人造DNA分子。
这种DNA结构拥有的化学特性和异乎寻常的稳定性将使该系统具有信息存储和扩展功能,可能成为DNA计算机的理论基础。
三、航空能力
李振宇
日本二战期间扩张到最后,一度领先亚洲的航空工业也在战略轰炸中趋于崩溃。
朝鲜战争和冷战爆发为日本航空工业的恢复创造了条件。
早期日本航空工业从为美国军方维修飞机作为起点,之后逐步过渡到引进生产军机和自行设计中、小型民机产品。
日本从60年代开始进入经济快速增长的阶段,航空工业从科研和生产环节上都得到了整体恢复。
日本依靠YS-11、PS-1、C-I和F-!
/T-2的研制与装备,在军用和民用航空产品上都完成了最初的积累。
随后的T-3/4、OH-1和F-2研制成功进一步夯实了日本航空的基础。
本世纪日本研制的P-X和C-X先后首飞和ATD-X项目的进行,证明日本航空工业体系已经开始对第三波产品的全面开发,在完成恢复后已表现出扩张趋势。
优势和基础条件
从上世纪70年代日本将航空工业确定为拉动经济增长的新兴产业后,经过30年发展,自用机型和与国外合作项目的经济与技术收益非常显著,航空技术进步对经济的贡献累计已达到航空工业产值的9倍。
日本航空生产企业以三菱重工、川崎重工、富士重工、新明和、石川岛为代表。
三菱重工的重点和优势是引进生产和主导研制喷气式作战飞机,川崎重工则在多发动机的中型军、民用飞机研制上处于领导地位。
日本航空产品主要以这些大型企业为基础开发研制,其它近百家成规模企业也承担配套和航空附件、成品的供应。
重点企业的集中和供应系统的分散较好地平衡了整个生产体系。
目前,日本航空工业已建立了由生产整机、动力和相关系统构成的生产体系,大学和专业研究机构也拥有以空气动力和材料为代表的完整科研设施。
本世纪初日本航空工业的生产规模和产值逐年增长,航空动力系统和电子设备在产值比例中的增幅已超过机体。
日本航空系统利用本身较强的加工能力和先进材料技术。
在大型民机和航空动力系统的合作研制上成绩非常明显,同时因为日本的航空生产体系中有很多内容具有较先进水平,因此在合作中日本企业大都可占据重要比例。
日本在CF34发动机的合作研制中涉及核心技术并占据30%的比例,大型民机上从波音767到787的份额逐步提高,已达35%,生产份额已与波音相同。
军机方面日本已具备教练机的整体生产配套能力,国际三代水平的F-2也实现了主要项目的自主生产。
工业基础和体系
日本航空工业的整机生产能力在二战后的恢复速度很快。
军机通过引进生产美国产品的方式完成了几次换代,从E-1开始又在装备类型上突破了国产喷气作战飞机的空白。
民机发展从YS-11起步,虽然后续产品的发展受到西方航空生产企业垄断性的压制,但在民机的材料和大部件研制上仍取得明显进步,近年来先后完成的P-X和C-X实现了基本国产化。
航空材料和电子成品是日本较优势的部分,在碳纤维复合材料方面具备技术先进性和较大的市场占有率,复合材料飞机结构件的生产和品质保证也经受住了市场检验。
日本航空发动机的生产已实现从引进仿制到自研的过渡。
虽然在军用高性能和民用大推力发动机上还存在空白,但在中、小推力等级喷气发动机的研制上已取得效果。
日本研制的T-4中级喷气教练机算是最早完成基本国产化的军机产品,T-4装备的XF3-30发动机实现了自主供应,配套P-X的XF7-10发动机也突破了大涵道比中等推力发动机的关口。
当初在研制FS-X时选择引进美国发动机导致丢失主导权后,日本在研制第四代ATD-X战斗机时配套开发了XF5-1涡扇发动机,这是推重比10标准的发动机。
日本的航空科研设施已形成较完整的系统。
现在有种观点是用日本的基础科研设施与中国对比,来证明日本基础条件上的“缺陷”,但这些对比疏忽了两国航空科研上的不同条件。
日本可借助西方国家(也包括俄罗斯)的基础设施,大量航空产品的设计和试验都可在其它国家完成。
这种方式投资要比独立建设小得多。
中国很难利用西方的设施,俄罗斯能提供的也存在很多制约,中国必须自己建设尽可能完善的试验系统,因此单纯从试验条件规模对比并没有现实意义。
日本工业和科研体系每年都有大量与航空相关的成果和专利数量。
尤其在材料工艺和热处理上成果很多。
精密加工和先进材料成型是日本的传统优势,电子元件技术标准和品质保证体系更具有很强的军事潜力。
日本工业体系在保证原料供应的前提下具备大规模批量生产航空产品的能力。
产业工人的素质和数量都能支持生产规模的扩大。
日本庞大的工业体系和长期建立的管理和质控系统,在航空产品的生产方面具备与美国类似的系统构成和组织能力。
只是日本航空系统在整机产品上还没有真正叫得响的产品,主要是科研实力落后于生产能力,导致科研成果在向实用产品过渡中的转化效率不高。
日本军事航空的科研和生产在整个航空系统中处于重点地位。
军机和发动机的生产大都采取政府半指定的方式,几乎被三菱重工、川崎重工和石川岛垄断。
日本航空企业在机载制导武器研制上的成绩比飞机更为突出,机载反舰导弹和制导炸弹基本实现了自主供应。
空空导弹的研制已具备较完整的体系和规模,机载雷达和电子设备的成品和元件也处于较高水平。
日本航空制造和电子工业的自主保障能力很强。
除了引进飞机的部分核心部件受到合同保障条件制约外,大部分军事航空装备已可由国内企业独立生产。
日本航空生产能力还存在扩充空间,军机生产在战时扩充3~4倍并无难度。
存在的问题和困难
日本航空工业虽然拥有较完整的科研系统和基础研究设备,也积累了很多经验并有大量技术人员,但整体航空技术存在两极分化:
以材料、工艺为代表的先进和以经验与基础为代表的薄弱共存。
这些问题也因政治和经济环境的影响被放大。
各航空强国都是通过军事技术发展带动整个航空工业。
日本的军用航空技术发展始终受美国技术和政治上的压制,FS-X的研制已证明日本军机研制缺乏自主性。
在美国压力下追求独立发展的日本航空工业等于在独木桥上跳舞,整机开发成功与否往往取决于政治上的平衡。
现代民用航空市场的垄断和细分限制了日本民用航空发展的途径。
早在上世纪70年代日本就已具备设计YS-11支线客机的能力,C-1战术运输机的装备也实现了从涡桨向喷气动力的迈进。
但当日本航空企业具备较系统的民机生产能力时,西方大型航空企业在整个民用航空市场上已完成分类垄断。
即便是欧洲那些基础较强的航空企业都难以独立维持发展,作为后来者的日本更无法动摇西方垄断企业的地位。
日本在民用中、大型飞机上的销售难以实现规模效益。
YS-11的教训证明日本很难独立在大飞机上进行投入,与其它国家合作研制所取得的效果也仅体现在局部。
直到借着替换P-3C和C-130的机会发展的P-X和C-X,才让日本航空工业找到了应用多发中型飞机的可靠平台,但P-X和C-X的成果能否扩大应用还难以估算。
日本在军机研制上受到政治影响是一方面。
但其本身科研方式存在的缺陷影响更为明显。
俄罗斯在苏联解体后出现了航空技术发展的困难阶段,航空企业无法得到充足的资源保证,但仍然挤出经费分阶段发展了很多不同技术重点的改进机型,每种机型都或多或少对某项技术有所促进。
事实证明在订货不足和资源有限情况下提高军机技术水平,最有效的方法就是用滚动方式改进改型,并保持成熟机型的低速生产来保持生产线运转和提供改装平台。
日本已经掌握了军用飞机和发动机大部分新材料和新工艺,但因缺乏新技术验证和应用的高标准平台。
很多关键技术在突破后都局限在实验室水平长期徘徊。
重研究、难应用导致日本航空产品经常暴露出明显技术缺陷。
日本航空工业在军事航空和民用航空成品的发展上都缺乏规模效应,自行开发和引进仿制的型号虽然不少,但真正从基础研究方面开始并最终完成的复杂产品却非常有限,技术人员缺乏通过实际型号锻炼出的实践经验和灵活性。
日本航空技术人员明显缺乏美、俄和中国同行的系统综合能力,在遇到技术问题时往往偏重于采用新技术和新产品进行解决。
缺乏实践经验导致日本科研人员对技术应用的把握存在不足。
最明显的就是经常将简单问题复杂化,在型号研制中经常为了芝麻丢弃西瓜。
很多日本军事装备都受这类因素影响,如二战中弯曲向下的航母烟囱和用生存力换性能的“零”式战斗机,很多设计都是用些实际上有害的“突破”换来目标的实现。
日本在FS-X(F-2)项目开发上虽然被迫接受以F-16C为基础,但日本技术人员为了提高FS-X的自主额度和体现日本的航空实力。
采用了当时处于世界领先水平却缺乏实践的整体成型复合材料机翼。
材料和工艺先进的机翼结构在实际使用中出现壁板裂纹问题,高昂的生产成本和维护费用也影响了F-2的完好率,应用领先技术提高产品性能的愿望并没得到好结果。
日本航空企业转包生产西方航空产品时有很出色的产品质量水平,但是在用自己的工艺生产航空产品时却存在很多问题,很重要的因素就是日本设计人员在飞机设计上打算得过于精细。
日本飞机设计存在按指标要求进行最“有利”设计思想的传统,如二战期间的“零”式战斗机发动机选择和机体设计的标准,导致机体无法容纳大功率发动机和缺乏结构更改潜力,战争期间根本无法根据技术的进步对飞机进行有价值的改进完善。
现代日本军机设计上存在同样问题:
F-2的尺寸和内部空间设计卡着标准要求选择了最紧凑的标准,设计“完美”到了调整结构甚至移动铆钉位置都受基础设计的限制,完成设计后的改进所需要的投入和难度比最初设计时还要高。
日本军机生产很好地实现了低速生产以维持生产线运转的目标,但在产品研制上却存在“一经定型,永不更改”的明显缺陷;
典型例子就是现在生产的F-2A和最初的F-2A并无明显区别。
在这么长的生产周期中地位这样重要的机型不进行改进,对美俄同类产品来说是不可想像的。
如F-16在这个期间已先后完成三次大规模技术更新,米格-29和苏-27也至少完成了两代任务系统和一代平台的技术进步。
日本飞机和汽车的设计思想存在很多共通之处,但汽车可以频繁更新改型以适应市场需要,成本高投资大的军用飞机却没有这样的更新速度。
虽然眼前效果很好,却为后续改进提高设置了框框。
日本空中自卫队的航空装备始终保持着比较高的更新替换速度,但装备构成中无论是引进的还是国内研制的飞机,往往在飞机装备后很长时间里都不对平台本身进行完善。
引进生产的型号也许受到合同和知识产权的影响。
但自研飞机存在同样情况就比较说明问题了。
日本军机研制时集中采用高难度和高风险的新技术,装备后却长期不改进,不利于维持和提高科研系统和人员的整体水平。
类似弹簧那样周期性伸缩的发展方式很难从基础上得到提高,进一步后呆在原地等待的重复过程只能白白消耗本已不多的优势。
门槛上的日本航空工业
日本航空工业实力的强与弱在不同观点中差异很大,这主要源于观察评价的不同标准。
单看雄厚的基础工业和高素质人力资源应该说实力很强,但从日本航空产品的实际表现又无法感受到强大。
日本军机产品中单拿出一项技术都可达较高水平,日本向西方出口的航空产品也都具备很高技术含量和高附加值。
日本在现代航空技术几乎每方面都能找到处于领先的成果,但航空科研系统却缺乏将这些成果综合成完整产品的能力,技术的先进性与产品的先进性之间存在很大高度差。
日本航空工业在大部分基础条件上已处于世界一流,但技术人员缺乏实践经验影响了整体航空科研水平和发展速度,高投入低成果的现状还无法改变。
日本政府和军事力量对航空科研的投入以很大比例逐年增加。
现在问题是科研能力远不能和基础工业的潜力相适应,大量新技术因缺乏应用而集中在实验室阶段,独立研制的飞机在设计思想上还存在很多偏差和疏漏,正如一个人拥有万贯家财却不知道怎么去花一样的尴尬。
如果按照现在情况继续下去,日本航空工业不会出现大的起色,后续军、民用航空产品的更新将更依赖美国,航空生产基础和科研的优势也将会被其它国家逐步超过。
未来十年是关键。
日本如能摆脱政治束缚并找到有效的科研途径,以目前的基础条件只需用一代飞机研制的10-15年,就可建立起适应基础工业体系的科研实力。
但日本军、民用航空技术的独立发展是包括美国在内的其它国家不想看到的,很多政治和技术上的新问题都将起到影响,跨越与平庸之间如此接近的距离是事关日本航空工业生死的挑战。
四、火箭能力
龙乐豪
记:
运载火箭的水平直接决定着一国的太空控制能力和战略打击能力,本次请龙院士谈谈对日本火箭的看法。
龙:
运载火箭方面,现在美俄还是领先,其后是欧空局,日本应算第二阵营中的领先者,其后是中国。
如单项排名,俄罗斯发动机水平是最高的,比如它的高压补燃液氧煤油发动机水平相当高,氢氧发动机也不错。
但运载火箭的综合能力方面,美国要强于俄火箭。
日本运载火箭的单项技术和美俄差不多,但规模还不及。
欧空局的“阿丽亚娜”—5起飞重量700多吨,规模比H-2B大。
H-2B的地球同步转移轨道(近地点200千米,远地点36000千米,轨道倾角一般28.5°
)运载能力是8吨,低轨道(近地点200千米,远地点400~500千米,轨道倾角40°
左右)运载能力是16~17吨。
低轨道速度增量较小,一般7.8千米,秒左右。
同步转移轨道的速度增量要达到10千米/秒左右,因此运载能力要小一些。
中国的运载火箭里最强的是“长征”-3号乙(CZ-3B),地球同步转移轨道运载能力是5.5吨,低轨道最大运载能力是12吨的样子,所以日本的比我们强。
俄罗斯的地球同步转移轨道运载能力也就是八九吨,因为它地理纬度高,吃亏了。
如果俄罗斯火箭拿到同样纬度发射,也能有十吨多的同步转移轨道运载能力。
美国火箭的这个数值已达到11~12吨左右,“阿丽亚娜”-5已达到12吨。
这是因为“阿丽亚娜”-5是在圭亚那发射,北纬4°
,占了些便宜。
美国佛罗里达纬度在28°
左右,与西昌差不多。
“长征”-5同步转移轨道运载力将达14吨左右。
这是否算入了文昌的纬度?
文昌的纬度接近20°
,占的便宜不太。
而且文昌纬度最低海拔也低了,这也要吃亏。
火箭在发射开始阶段如果能减少两千米上升距离还是能省点劲。
西昌海拔1800米,比文昌高很多。
日本的火箭比中国的优势在哪?
H-2B的规模比“长征”系列大。
“长征”系列起飞重量最大的为570多吨,是载人的长-2F。
但运载能力最大的是长-3B。
长-2F为什么起飞重量大?
因为它的芯级一、二级燃料都是四氧化二氮/偏二甲肼,密度大,每立方米约700~800千克。
而长3B的芯级二级以上都是液氢液氧,密度很小,每立方米只有70千克左右,所以起飞重量只有540吨左右。
长一3B高轨道运载力是5.5吨,低轨道12吨,长217低轨道运载能力是8吨左右,跟日本人的16吨比还是小了。
日本的传统是芯级液氢液氧加固体助推,我们的传统是助推和芯一级都采用四氧化二氮/偏二甲肼。
我国新一代运载火箭成功应用后,运载火箭上就不用这种燃料了。
卫星上可能还用,但量不大。
四氧化二氨,偏二甲肼在生产时有毒。
如果发射时出事,未经充分燃烧也会污染环境。
我们下一步也要搞固体助推器,因为固体火箭相应简单些。
当初我们没搞固体助推,当时我们这方面技术能力差一点,而液体技术的条件要相对具备一些。
日本搞固体主要是为转化成导弹。
日本H-2B火箭直径达到5.2米,而“长征”系列只有3.35米。
从3米多扩大到5米多是很大的技术差距,需要全新的工艺、装备。
制造5米直径储箱的工作母机、厂房都要重来。
日本固体助推器水平也比我们强,我们的没这么大。
固体火箭扩大后会遇到装药、粘结工艺、燃烧稳定性、壳体制造等问题。
固体火箭的壳体与液体火箭有何区别?
液体火箭的壳体都较薄。
如果箱子做得很笨重,运载能力就小。
固体装药密度很大,体积很小,壳体很硬,过去是钢的,现在用玻璃钢、碳纤维等。
液体火箭的壳体一般用铝合金,没有用钢的。
液体会晃动,横向载荷比固体火箭要大,所以壳体用复合材料比较少。
固体火箭装药都上百吨,用铝合金做壳体强度不够。
日本H-2系列的助推器布置方案繁多,还有不对称布置的。
这是推力组合计算的结果。
助推器越少越好,多了增加故障几率。
我国固体火箭用于导弹的水平也不低,但比较小。
其实日本固体火箭水平仍算低的,美国航天飞机固体助推器的推力达上千吨。
它推力大是因为它体积大。
但
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