Modeling the Performance of the Burevestnik Nuclear-Powered Cruise Missile

技術要約：有人爆撃機型核エンジン巡航ミサイル「ブレヴェスニク」の性能モデリング

問題提起
ロシアの戦略兵器体系は、とりわけ「ブレヴェスニク」（NATO名称：9M730）と呼ばれる、核駆動かつ核弾頭搭載でほぼ無限の飛行が可能とされる、エキゾチックなデリバリー・システムへの依存を強めている。空気吸い込み式核推進の概念は、20世紀半 تردد（例：米国のプロジェクト・プルートやスナーク・ミサイル）に遡るが、そのようなシステムが運用展開されたことは一度もない。ブレヴェスニクの特異な推進アーキテクチャは、航空宇宙および核安全保障コミュニティの両方にとって、その大部分が未知である。機密データに頼ることなく、このシステムの物理的制約、性能特性、および放射能シグネチャを理解することは、その実現可能性、運用範囲、および戦略的意味合いを評価する上で極めて重要である。

手法
著者らは、「核航空機モデリング・ツールキット」を開発した。これは、抗力推定、エンジンサイクル・モデリング、および中性子力学を結合させたものである。分析は、ロシア国防省（MoD）のビデオ映像、アマチュアによる回収機器の写真、および衛星画像を含む、公開されているデータのみに基づいている。

1. 寸法再構築： 「工場見学」および飛行ビデオに対するフォトグラメトリを用い、次元的に正確な3Dモデルを構築した。スケールを確立するために、基準となる物体（例：消火器、パレットトラック）を利用し、ミサイルの全長、翼幅、および空気力学的平面形状を推定した。
2. 空気力学モデリング： 再構築された形状に対し、半経験的な抗力集積手法である「デルタ法」を適用し、抗力極曲線（ドラッグ・ポーラー）を推定した。この手法は、AGM-109 トマホークおよびボーイング社の長距離通常攻撃兵器（LRCSW）の経験的データを用いて検証された。
3. 推力および質量推定： 抗力極曲線と、経験的に導出されたシステム質量（約3,340 kg）に基づき、制限的な機動（上昇、地形回避、終末旋回）における推力要求量を算出した。
4. 推進サイクル分析： 推定されたサイズおよび速度制約に対し、様々なエンジンサイクル（ラムジェット、ターボジェット、ターボファン、間接サイクル）を評価した。
5. 中性子および熱流体力学モデリング： OpenMCモンテカルロ・コードを用い、様々な燃料タイプ（SiCマトリックス窒化物、CERMET、BeO-UO2）、スペクトルタイプ（高速 vs 熱中性子）、および開口率を持つ原子炉コアをモデル化した。コアの臨界限界、熱伝達能力、および直接サイクル構成における圧力回復を評価した。
6. 放射能シグネチャ・シミュレーション： OpenMCシミュレーションを用いて、大気およびコア流における中性子活性化生成物を集計し、飛行のメガワット時あたりのガス状放射性核種生成量を推定した。

主な貢献および結果

• 物理的寸法と飛行レジーム： ブレヴェスニクは、全長 約9.5 ± 0.32 m、翼幅 約5.6 ± 0.18 m の亜音速巡航ミサイルとしてモデル化されている。固体ロケットブースターの排気による乱れのビデオ分析から、巡航速度は約0.79マッハであることが示唆される。翼型（長い翼、中程度の後退角）は、超音速ラムジェット運用ではなく、亜音速の「地形追従（nap-of-the-earth）」飛行と一致している。
• 推進アーキテクチャ： モデリングの結果、直接サイクル核ターボジェットが最も妥当なアーキテクチャであることが強く示された。
  • ラムジェットは不可能と判断： ラムジェットが亜音速飛行を維持するためには、50 MWthを超える熱出力が必要となり、既知の空気冷却式原子炉材料では達成不可能な高い出力密度（>1 kW/cc）を要求される。
  • ターボファンは可能性が低い： より効率的ではあるが、ファンに必要なバイパス流によって、原子炉および熱交換器に利用可能な容積が半分に減少するため、克服困難な空間制約が生じる。
  • 直接サイクル・ターボジェット： この構成は、低質量、許容可能な流量容量、および推定される胴体径内での臨界達成のバランスが最も優れている。
• 原子炉設計と出力：
  • 原子炉のコア径は約50 cm、開口率は50%と推定される。
  • 燃料： 最も有力な燃料オプションは、高速スペクトル原子炉を用いた $^{235}\text{U}$ 濃縮 UN-SiC（Cermet/セラミック）分散燃料である。熱中性子スペクトル設計や $\text{BeO-UO}_2$ 燃料は、利用可能な容積内での臨界または材料上の制約に直面する。
  • 出力： 巡航時の推定原子炉熱出力は 4.3 ± 1.3 MWth である。上昇および終末機動時のピーク電力要求は15 MWthを超えると推定され、高推力機動のために化学的なインターバーナー（補助燃焼器）を必要とする可能性がある。
• 放射能シグネチャ： モンテカルロ・シミュレーションは、脱出中性子が飛行のメガワット時あたり >5 TBq のガス状放射性核種を生成することを予測している。主要な短期的シグネチャは $^{41}\text{Ar}$（生成1時間後の活動量の95%以上を占める）であり、$^{85\text{m}}\text{Kr}$、$^{83\text{m}}\text{Kr}$、$^{14}\text{C}$ などの同位体も含まれる。これらのシグネチャは、既存の監視ネットワークによって検出可能である可能性が高い。

意義および主張
本論文は、ブレヴェスニクは技術的には実現可能であるが、極めて制約の多いシステムであると結論付けている。それは、ロシアに既存の核戦力に対する決定的な戦闘上の優位性をもたらすような「戦略的ゲームチェンジャー」ではない。その意義は、以下の境界領域にある：

1. ヘッジング（備え）： 長時間の滞空や迂回経路による飛行を可能にすることで、追跡を複雑化させ、将来のミサイル防衛に対するヘッジとして機能する。
2. 心理的抑止： 未知の、無限の射程能力に伴う恐怖を利用した「威信兵器」として機能する。
3. 運用の限界： 材料劣化（放射線損傷、クリープ）および燃料燃焼により、真の意味での無限飛行は不可能であり、持続時間は数十時間から数百時間に限定される可能性が高い。
4. 安全性とリスク： 直接サイクル設計は、活性化された空気および潜在的な核分裂生成物の放出を必要とするため、試験および運用中に重大な放射線学的危害を生じさせる。著者らは、2019年のニョノクサ事故で示されたように、このシステムが革命的な戦略的安定性の向上を提供することなく、特異な平時リスクを導入していると指摘している。

最終的に、本論文は、ブレヴェスニクを革命的な兵器としてではなく、コストが高く、危険で、象徴的な意味を持つシステムとして捉えるべきであり、それがより広範な航空宇宙核推進競争を触発する可能性があると論じている。