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        湘鄉市洙津渡電化有限公司
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        聊聊固體火箭發動機的推進劑
        來源:邢強 小火箭 | 作者:邢強博士 | 發布時間: 2016-12-22 | 2623 次瀏覽 | 分享到:
               本文是小火箭經典導彈與火箭系列文章第4季的第1篇。在之前的文章中,小火箭較為詳細地分析了液體火箭發動機以及使用液體火箭發動機的土星-5號、N-1宇宙神等多種火箭與導彈。在本季,我將以固體火箭發動機的綜述文章開篇,繼續咱們的導彈與火箭之旅吧!

               如果說導彈是戰神阿瑞斯投出的長矛,那么是誰塑造了戰神的臂膀?

               如果說火箭承載的是夸父逐日的夢想,那么又是誰讓夸父的雙腿充滿了能量?

               現代科技讓人們擁有了自遠古以來便無比憧憬的一飛沖天的能力,這種能力的背后推動者是各式各樣的火箭發動機,而這些發動機的背后則是那些燃燒了自己,以自身的煙消云散換取發動機巨大推力的推進劑。
               在推進劑被點燃之前,人們往往會忽略了它們的存在。其實在火箭、導彈那些亮閃閃的金屬外殼下面,大部分是推進劑的天下(以美國三叉戟彈道導彈為例,其固體推進劑的質量占到了全彈質量的95%)。
               當推進劑被點燃之后,恐怕很難有其他東西能比那個場面更能吸引人們的眼球了??催^采用固體推進劑的導彈發射的人們往往會對導彈后面拖帶的煙霧留下深刻印象。

               細心的人們或許還能看出這些煙霧的不同:有的是黑色的濃厚煙霧,像燃著了一堆潮濕的木柴;有的則是濃濃的白色煙霧,像拉長了一團白色的云彩;還有的則沒有那么壯觀,淡淡的煙霧很不明顯,甚至連靠近發動機尾部的火焰也沒有那么耀眼。造成這些區別的原因何在呢?產生哪種煙霧的推進劑會代表未來的發展方向呢?是霸氣的濃煙滾滾還是低調的青煙一縷呢?

        1.固體推進劑的出現

               要想知道那些煙霧是怎么一回事,我們需要首先了解一下固體推進劑是由什么構成的。

               能夠成為推進劑的材料有很多,凡是能夠在沒有外界氧化劑存在的情況下發生不依賴于外力的持續燃燒,并能在燃燒期間產生大量高溫氣體分子或固體噴流的材料均有這個潛力??傮w來說,燃燒是一種劇烈的快速放熱的氧化還原反應,因此推進劑自身必須要同時含有氧化劑和充當還原劑的燃燒劑。

               氧化劑和燃燒劑都是固體的推進劑叫做固體推進劑。它們被制成符合設計要求的幾何形狀,澆鑄或充填在一個一端開口的容器內。當被點燃的時候,推進劑的化學能轉化成燃氣的熱能,在經過發動機噴管的時候,又部分轉化成動能,形成推力。

               最早的固體推進劑是被稱為中國四大發明之一的黑火藥。以硝酸鉀、硫磺、木炭混合而成的黑火藥早在公元808年便已有文獻記載,并在北宋時期用來推動城防部隊的火箭。公元1240年左右,黑火藥的秘密被傳播到了阿拉伯等地。黑火藥的重要組成成分,充當氧化劑的硝酸鉀被阿拉伯人稱作“中國雪”,而波斯人覺得它的外表像鹽,取名為“中國鹽”。黑火藥傳播到歐洲之后,一直以發射藥的身份見證了槍械火炮技術的飛速發展。

               然而,現代導彈和火箭上已經難覓黑火藥的蹤影了。讓我們跳過黑火藥的千年統治時期,直接來到1884年。

               這一年,法國工程師維埃利將硝化棉溶解在乙醚和酒精里,在其中加入適量的穩定劑,成為膠狀物,并最終制成了世界上第一種無煙火藥。從此,各種槍炮都開始采用了硝化棉制成的火藥作為發射藥。

               二戰期間,大名鼎鼎的喀秋莎火箭炮使用的BM-13系列火箭彈的推進劑就采用了無煙火藥,或者更精確地說是硝化纖維推進劑。

               硝化棉是一種纖維狀的物質,很難做成固定形狀的彈體裝藥,人們用粘稠的硝化甘油做增塑劑和硝化棉混合在一起便形成了雙基推進劑。在很長一段時期內,雙基推進劑都是固體火箭發動機的主要原料。

               硝化棉和硝化甘油本身都既包含氧化劑的成分又包含燃燒劑的成分。硝化棉有點兒富燃(燃燒劑的成分多一些),硝化甘油則有點兒富氧(氧化劑的成分多一些)。

               原本它們兩個的配合是比較理想的。但是,隨著人們對發動機性能要求的日益提高,這個經典搭配能夠產生的比沖已漸漸不能滿足人們的需要(比沖是一個描述火箭發動機性能的重要物理量,其定義為單位重量的推進劑能夠帶來的動量的改變量。相同重量的燃料,比沖越高,能夠提供給的動量越大。)

               經過小火箭的計算以及以若干型號為算例的驗證,可以得出以下結論:

               中程彈道導彈的固體推進劑的比沖每提高1秒,射程會增加70千米左右。對于洲際導彈而言,每1秒的比沖增量則可以增加約100千米的射程)。工程師們開始為提高推進劑的比沖想盡辦法。

               于是,被稱作“無煙火藥”的硝化棉及其搭檔硝化甘油,因為過于“單純”,清潔有余而霸氣不足,被人們拉下了固體推進劑的王者寶座。于是一個復合推進劑的時代到來了,一個向雙基推進劑中加入各種添加劑的時代到來了,一個充滿著煙霧和火焰的時代也隨之到來了。

        2.濃濃的煙霧來了

               1936年,美國加州理工學院的馮·卡門博士(錢學森的導師)嘗試用無機氧化物高氯酸鉀和有機物瀝青制作推進劑,開啟了復合推進劑時代。隨后,各種高氯酸物開始成為推進劑的主角。其中,容易制取、價格低廉的高氯酸銨是早期煙霧制造者的代表。

               高價態的氯元素使其成了一種天生的強勁氧化劑。當氧化劑的能力是如此之強時,人們對燃燒劑的選擇便開始隨意起來。理論上,任何能夠提供充足可燃的C、H、N等元素的物質均可做高氯酸銨的搭檔。

               以高氯酸銨為氧化劑的復合推進劑一出現,就像一頭怒吼的雄獅那樣,急急地宣告著新推進時代的到來。說高氯酸銨像雄獅,并不僅僅因為其比雙基推進劑有更大的比沖,力量更大,更是因為它愛張揚的個性。高氯酸銨當中的氯元素在燃燒的過程中與燃燒劑中的氫元素生成了氯化氫(HCl)。

               這種很容易凝結的氣體(1體積的水能快速溶解500體積的HCl)能夠在火箭的尾跡上形成大量的白霧,當火箭在較低溫度的高空或在較為潮濕的海面附近發射時,白霧更為壯觀,會形成長矛狀或寶塔狀的凝結云。以高氯酸銨為氧化劑的推進劑在賦予了火箭雄獅般的力量的同時,也帶來了如雄獅鬃毛般霸氣的騰騰霧氣。

               燃燒劑的選取是比較隨意的,但是為了把藥柱制成各種幾何形狀,這種以高氯酸銨為氧化劑的推進劑還需要充當粘合劑的物質。在導彈(或火箭)飛行的過程中,氣動加熱會使殼體的溫度迅速升高,而固體藥柱的導熱性則遠遜于金屬殼體。這樣的溫度差異使得藥柱與殼體之間產生了拉應力,如果粘合強度不夠的話,藥柱可能會提前剝離。

               高聚物在這時進入了人們的視野。它們含有大量的C、H等元素,可以充當燃燒劑,同時它們有良好的粘合性能和可塑性(高分子聚合物,俗稱為塑料)。這些多面手角色的聚合物深受火箭設計師的喜愛,以至于他們直接用聚合物的名字來命名各種復合推進劑。

               最早出現的高聚物粘合劑是聚硫橡膠(Thiokol)。她是上世紀二十年代末出現的明星產品,代表著高分子化學的重大進步。早期型號的響尾蛇AIM-9B空空導彈、海神導彈的推進劑都采用了這種粘合劑。

               然而,名氣并不意味著實力。因為聚硫橡膠中含有大量硫原子,其燃燒產物的分子量較大,能量較低,所以這種推進劑早已被淘汰。促成其淘汰的另一個可能的原因是:在燃燒過程中,如果氧平衡沒能很好地實現,這種推進劑會產生令人印象深刻的黑煙,就像是燃著了一堆廢舊汽車輪胎一樣(硫化橡膠本身就是輪胎的主要成分)。

               隨后被摻入固體推進劑當中的高聚物有聚丁二烯(PB, 運動鞋鞋底的原材料)、聚氯乙烯(頗有名氣的PVC,用來制造電纜外皮、塑料門窗以及仿制皮革、籃球、足球等)、端羧基聚丁二烯(CTPB,涂料、電氣零件)、丙烯腈(其高聚物為腈綸,又稱合成羊毛)。

               較為成功的高聚物粘合劑為端羥基聚丁二烯(HTPB),其能量較高,常溫和高溫下力學性能良好。時至今日,HTPB仍被用在多種型號(如響尾蛇AIM-9L、AIM-9J、小獵犬等戰術導彈)的固體火箭發動機上。即使是伯特魯坦設計的太空艙一號也采用HTPB作為其固液混合發動機的燃燒劑。

               采用HTPB推進劑的雅典娜運載火箭

               上世紀70年代末出現的XLDB配方(三叉戟I型導彈上使用)和上世紀80年代的NEPE配方(三叉戟II型導彈上使用,這是一種部署在美國俄亥俄級核潛艇上的帶有核彈頭的戰略導彈)逐步提升著復合推進劑的性能。以各種高聚物為粘合劑的復合推進劑給發動機帶來高推力的同時,也帶來了各種顏色和味道的煙霧。

               在復合推進劑大行其道的同時,曾經的最佳搭檔——由硝化棉和硝化甘油組成的雙基推進劑也不甘落后。于是,一類叫做“改進雙基推進劑”的配方開始出現。高氯酸銨以及多種添加劑也被嘗試著加到了它們之間以提高推進劑的性能。
        在這些添加劑的嘗試中有兩項創新很值得一提。

               一個是金屬被當作燃料加到了推進劑中。最常用的金屬添加劑是鋁。鋁粉的燃燒能加快推進劑的燃燒速度,增加發動機的比沖,還能使燃燒變得更加穩定。鋁粉顆粒的直徑只有幾微米,燃燒時間極短,溫度很高,人們對其燃燒機理還沒有研究透徹。

               但是,鋁粉提高發動機比沖的效果十分明顯,因此很多推進劑添加了大量的鋁粉(如三叉戟I型導彈的第一級發動機中摻有19%的鋁粉)。這樣的推進劑產生的煙霧中會有大量三氧化二鋁顆粒存在,形成特有的金屬煙塵。

               另一個創新是高能炸藥被添加到了推進劑當中。環三亞甲基三硝胺(RDX,俗稱黑索金)、環四亞甲基四硝胺(HMX,俗稱奧克托金)是兩種出名的猛炸藥。5千克重的錘子分別從28厘米和33厘米高度落下的沖擊力即可分別引爆黑索金和奧克托金,可見這兩種炸藥的性格有多么暴烈。RDX和HMX的加入抹平了推進劑和炸藥的區別。在燃燒過程中,猛炸藥提供了更多的熱量,提高了推進劑的比沖。

        3.火焰與煙霧的影響

               固體推進劑燃燒所產生的煙霧是人們為改進無煙火藥推進劑的推力特性和燃燒穩定性而產生的副產品。由于空空導彈多采用固體火箭發動機,且與載機親密接觸的機會較多,所以煙霧這一副產品產生的副作用較為明顯。

               早在上世紀60年代,空空導彈便已成為了空戰的主角。而實際上,在空空導彈開啟空戰新紀元的時候,很多技術細節都還沒有準備好,很多問題也是在導彈實際發射之后,才開始引起人們的注意。早期的空空導彈采用的是含有金屬顆粒的固體推進劑。為了提高噴氣能量和燃燒穩定性,這些推進劑中的鋁粉含量甚至會達到20%!

               以美國空軍早期型號的AIM-9響尾蛇空空導彈為例,其Thiokol MK17固體火箭發動機的藥柱質量為40公斤,在2.1秒內燃盡。也就是說,每一枚響尾蛇導彈的尾氣中都會有約8公斤的鋁元素。以每個鋁制易拉罐的平均質量為14克來算,在戰斗機發射了一枚響尾蛇導彈后的2.1秒鐘內,將會面臨著以2000℃的高溫飛來的571個熾熱易拉罐的燃燒產物的轟擊。大量的高溫金屬氧化物顆粒(如三氧化二鋁)撲面而來,處在導彈尾流中的噴氣式戰斗機的發動機在瞬間吞進大量煙霧后,工作狀態會急劇下降,甚至會發生空中停車的事故。

               即使戰斗機在飛行包線和發射時機上做出了考慮,這些高溫金屬氧化物顆粒對載機機翼、機身的侵蝕危害還是難以避免。早期的戰斗機在發射過空空導彈之后,往往能在導彈發射架導軌、機翼前緣、進氣道、壓氣機前幾級葉片甚至垂直尾翼和水平尾翼上發現一些白色薄霧狀的沉積物。上圖這枚AIM-7麻雀空空導彈發射時的動靜也不小。

               除了影響載機安全、侵蝕機體外,金屬氧化物顆粒會嚴重干擾制導雷達。對于依靠載機發射的雷達波照射目標來制導的半主動雷達制導空空導彈來說,在載機雷達波束受干擾的情況下搜索目標無異于在漆黑的夜晚打著電力不足的手電筒搜尋一只狡猾的野兔。

               猛炸藥的氧化成分比起高氯酸銨要少得多,很多粘合劑來不及被氧化便被分解成氫氣等小分子排到尾氣中。通常,高氯酸銨推進劑和添加了猛炸藥的推進劑的尾跡都帶有白色煙霧,但是,前者的燃燒產物主要是二氧化碳、水蒸氣和氯化氫,后者的燃燒產物則主要是氫氣、氮氣和一氧化碳。

               在發動機噴流的高溫中,氫氣和一氧化碳會進一步燃燒,產生十分明亮的“二次火焰”。這是兩種推進劑的主要區別,也是某些火箭發動機的尾焰極其耀眼的原因。反導系統的早期預警衛星偵測的便是戰略導彈發射時的高溫尾焰,大量的金屬煙塵成了一個反射強光的鏡面。在二次火焰和金屬顆粒鏡面的共同作用下,導彈早早地就暴露了行蹤。

               另外,有些推進劑中添加的是鉛鹽、銅鹽或稀土鹽,其燃燒產物會對環境產生污染。在環保意識逐漸增強的現代,這些呈細微顆粒狀排放到大氣中的高污染物質將會遭到越來越多的抵制。

        4.讓煙霧消失讓火焰隱形

               通過分析,我們知道了壯觀的煙霧雖然能給人以強烈的視覺沖擊,但是在實際應用的過程中,還是少一些煙霧與火焰為好。于是在上世紀90年代,人們對導彈提出了更高的要求。除了要有很高的精確性和可靠性外,還要成為“三無產品”:無紫外線、可見光和紅外線輻射,無可見煙霧,對導彈制導和通信信號無干擾。這些目標看起來十分苛刻,被當時一些軍事專家指責為多此一舉、難以實現、浪費經費。但是經過近20年的發展,技術人員對消除煙霧甚至隱匿火焰的能力再也不容小覷和戲謔了。

               1993年,北約航空研究與發展咨詢委員會(Advisory Group for Aerospace Research and Development,簡稱AGARD)發布了兩份學術報告,把我們前文所說的濃濃的煙霧和明亮的火焰分為四類:一次煙霧、二次煙霧、電磁輻射和微波衰減。

               一次煙霧主要由金屬添加劑燃燒后形成的氧化物、氫氧化物和氯化物等難熔、微小、滾燙的顆粒和從發動機絕熱層、襯里層等處剝離沖散的一些碎末組成,分布在發動機噴口附近。

               二次煙霧由推進劑中的高氯酸銨和氟化物等成分燃燒后形成的氯化氫、氟化氫凝結成的小液滴形成。二次煙霧通常會在一次煙霧生成后的數秒鐘之后出現,呈白色、淡黃色。推進劑尾焰的電磁輻射包含了波長從100納米到幾毫米的廣泛頻段。

               我們肉眼看到的火箭的耀眼光芒只是宏大躍遷過程的一個小片段。以1000℃以上的高溫噴出的火焰里蘊含著復雜而劇烈的能級躍遷過程,使推進劑尾焰成了一個很容易被各種儀器探測到的強信號源。微波衰減主要指導彈煙霧對微波信號的干擾作用。在制導和通信過程中起著重要作用的微波信號在通過推進劑煙霧時會因反射、散射、衍射、折射等多種效應被嚴重衰減。

               在了解了煙霧的形成原理和擁有了消除煙霧的決心之后,消煙滅焰的行動也就有了方向??傮w來說,減少三氧化二鋁和氯化氫的含量是消除煙霧的重頭戲,而抑制二次燃燒則是隱匿火焰的主要方法。

               為了減少一次煙霧,金屬燃料在推進劑中的比例越來越少,有些新型推進劑甚至已實現了零金屬添加。另外,推進劑的氧化劑與燃燒劑的比例被越來越精細的化工技術配合得恰到好處,早期因為燃燒不完全而產生的充滿炭黑的濃濃黑煙已較為少見。

               為了減少二次煙霧,高氯酸銨等含有鹵素的推進劑被逐步淘汰,以黑索金、奧克托金為代表的猛炸藥推進劑逐漸取代了鹵素強氧化推進劑的位置。為了減少尾煙對微波信號的干擾,推進劑中來了新成員——電子捕捉劑。這是一類有著較高電離電位的親電子物質,能夠管住尾煙里活潑好動的大量自由電子,從而改善尾煙的電磁特性。

               隨著“消煙行動”的進一步開展,新型推進劑的配方層出不窮。

               傳統的炭黑和石墨等只要氧氣足夠就能充分燃燒不產生煙霧的老老實實的燃燒物也被歸入了裁撤名單。燃燒性能更好的富勒烯(一種由60個碳原子組成的類似足球的分子)及其衍生物將成為新的推進劑碳源。導彈拖帶的黑煙將會越來越淡。

               出于對高氯酸銨推進劑的眷戀,美國人遲遲未能下決心淘汰這種氧化劑。為了減少尾煙中的氯化氫含量以避免形成二次煙霧,他們把黑火藥當中的“中國雪”請了回來。硝酸鉀的“親戚”——硝酸鈉被當作一種凈化劑來使用,有效地減少了尾煙中氯化氫的含量。導彈拖帶的白霧將會越來越少。

               讓耀眼的尾焰隱形并不是一件容易的事。燃燒本來就是一個劇烈的發光放熱過程。不過,對于抑制 “二次火焰”(大多因尾氣中一氧化碳和氫氣的燃燒而形成)的方法則早已有人開始了研究。早在1977年,瑞典波福斯公司(這是一家曾屬于諾貝爾的歷史悠久的軍工企業)就發現,在火藥中加入含有堿金屬離子的聚合物能夠明顯減少火炮炮口的火焰。

               在這一理論的支撐下,硬脂酸鉀、山梨酸鉀等有機鉀鹽被加入到了推進劑中。值得注意的是,這兩種鉀鹽都是食品添加劑。硬脂酸鉀在食品中起穩定、增稠、乳化、蓬松和抗結的作用。山梨酸鉀則更為常見,幾乎在所有帶包裝食品的配料表中都可以看到山梨酸鉀這種防腐劑的名字。

               導彈尾氣中的二氧化碳和水都是三原子分子,這一類分子的紅外特征十分明顯。一些空空導彈如較新型號的響尾蛇導彈采用了含有大量奧克托金的丁羥無煙推進劑,使尾煙中的二氧化碳和水分子含量大幅降低,在紅外波段實現了尾焰的低探測性。

               北約已宣布在新裝備的所有戰術導彈上都要至少達到“低煙”的水平。海灣戰爭時期,嘗試使用低煙推進劑的哈姆反輻射導彈起到了良好的作戰效果。像“幼畜”這樣的1972年就裝備部隊的導彈已改用了升級型的推進劑,減少了70%的煙霧。

               時至今日,自1993年的煙霧標準提出以來,先進的推進劑技術已經使紅外、紫外和可見光等電磁輻射減少90%以上,激光透過率提高27%以上,微波衰減更是從原來的10分貝減少到了0分貝。

               現代導彈的推進劑尾煙對制導雷達的波束(尤其是毫米波波段)的零干擾有望于近期實現并將快速普及。

        5.結束語

               從黑火藥的出現到各種現代固體推進劑的蓬勃發展,期間經歷了1200多年的歷史。其中有約1000年的時間是黑火藥的天下。黑火藥中的硫磺相對于硝酸鉀來說是一種還原劑,相對于木炭來說又是一種氧化劑,其特殊的物理特性又能夠把硝酸鉀和木炭良好地粘合在一起。這種設計思想一直影響到今天。在復合推進劑中,很多成分也是擔任著這樣的多重角色。

               在黑火藥之后,我們經歷了無煙火藥的時代,繼而在無煙火藥的基礎上發展起來的硝化棉和硝化甘油雙基推進劑成了最早的實用固體火箭推進劑。為改進推進劑的性能,塑料、橡膠、金屬粉末、猛炸藥等各種工業添加劑輪番登場。上圖為印度PSLV運載火箭發射時的場景。該火箭的第一級主發動機為一個巨大的固體火箭發動機。詳見小火箭的公號文章《誰說三哥不行?印度火箭給中國公司發過衛星》。

        高氯酸銨推進劑的壯觀煙霧代表了一個人類撼天動地的時代已經到來。隨后,精細化的設計和生產使得由于供氧不平衡而產生的大量游離炭粒而形成的濃濃黑煙成為歷史。

        金屬添加劑和鹵素氧化物的減少使得白煙也越來越淡。原本用于食品行業的添加劑成功地抑制了二次燃燒,讓尾焰也不再那么耀眼了。

        美國青睞的CL-20推進劑在工藝性能、力學性能、比沖、低特征信號等方面的優勢較為明顯。歐洲的“潔凈火箭計劃”推出了新型的HNF配方。俄羅斯白楊-M彈道導彈采用了名為ADN的高能低可探測推進劑。各國都在大力發展擁有更高性能、更少煙霧、更小火焰的固體推進劑。

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