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一:什么是固体火箭?它有什么优缺点?

2015年9月25日上午,我国长征火箭家族中的第一款固体火箭型号首飞成功,并将携带的四颗卫星顺利送入轨道。这款被命名为长征11号的火箭,在很多方面具备了很多突破性的性能;比如在24小时之内就可以完成发射准备工作,而这与它的发动机形式密切相关。

中国竟把洲际导弹命名为民用火箭 究竟有何战略打算

资料图:长征11号的模型

火箭发动机的特点是自带燃料和氧化剂,不像普通发动机——比如汽车和飞机那样,燃料是自己带的燃油,氧化剂则要从空气中吸取氧气。根据燃料形式的不同,火箭发动机又分为液体发动机和固体发动机。

我国最著名的长征2号系列火箭,使用的就是液体发动机。它的优点是液体的流速和流量都很好控制,调节推力大小等方面很方便;而且从性能上来说,同等技术水平下,液体燃料要优于固定燃料。但液体燃料的缺陷也非常明显:容易渗漏、挥发,这个是无解的问题;不少液体燃料还需要保温(液氧、液氢)或者特殊的防腐蚀处理。

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资料图:液体火箭发动机的基本原理,两个箱子装燃料(Fuel)和氧化剂(Oxidizer),然后用泵(Pump)把它们抽出来喷射到发动机的燃烧室(Combustion Chamber)里点燃,高温高压燃气从喷管(Nozzle)喷出后形成巨大推力

因此对于绝大多数液体发动机的火箭来说,燃料都要在发射前的准备阶段时才能加注;需要的时间、涉及到的辅助设备就特别多,发射灵活性很差。固体燃料的火箭发动机,就是针对这些缺陷而提出的。它的燃料以火药柱等结构形式,被固化在发动机内部,可以长期储存十几年甚至是几十年。

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资料图:固体火箭的发动机结构比液体的简单多了,中间就一个大火药柱子,就那么从底下往上面烧呗。

从缺点上说,固体火箭燃料在本质上就是将燃烧速度设法减缓了的高能炸药,因此研制成本非常高昂。比如它不仅要研究成分配方,还要研究什么样形状的火药颗粒有更合适的燃烧特性、怎样做出这样的外形、怎样把它们粘结成什么形状的火药柱,这些都是液体燃料不需要考虑的。尤其是随着吨位的加大,发动机内固体燃料柱的直径与长度不断增加,其工艺难度越来越高,合格率越来越低,成本的增加速度远远高于液体燃料发动机。资中国竟把洲际导弹命名为民用火箭 究竟有何战略打算

料图:美国民间火箭爱好者自己制作的简易固体燃料火箭,燃料浇铸时特殊的银灰色泽来自加强燃烧能量的铝粉,注意燃料中间的燃气通道

二:长征11火箭是战略导弹的军民两用经济版

液体和固体火箭不同的优缺点,使它们在民用和军用市场上各有所长。实际上运载火箭和导弹本就是一脉同源,现代意义上最早的火箭就是德国在二战时研制的V2弹道导弹,采用液氧加酒精的液体燃料组合。后来航天工业大发展时代,民用和军用细分越来越明显,追求经济和环保的民用火箭就全面采用液体燃料;而追求反应速度和维护性的军用导弹,则采用固体燃料设计。

长征11号实际上并没有违反这一规律。这款火箭有两个性能追求点,除了24小时以内完成发射准备(根据官方报道,去年的演练中仅十几个小时就能完成)外,还必须具备全天候、无依托发射的能力。所谓无依托发射,就是不需要专门的火箭发射场,不需要勤务塔、不需要脐带塔、不需要导流槽,连发射台都不要,只要有一片水泥场坪就可以了。

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长征11号平时包在发射筒里,这是很典型的军用导弹设计

为了实现这种能力,长征11号采用了能够自主移动、完成测试准备的发射平台——说的更通俗一点,就是机动战略导弹的发射平台。实际上整个长征11号火箭,都是在远程战略导弹的基础上开发的军民两用经济版。

它在设计上的几点不同,首先是对成本的控制要求更高;比如长征11号在火箭壳体结构上就做的很省钱,没有采用复合材料结构,而是采用金属铸造工艺。一些地方——比如第四级的控制舱,它的结构甚至是直接沿用原来长征系列火箭的老式设计。

但另一方面,长征11号也不完全是降级的缩水版。军用战略导弹设计一旦定型,以后变更设计就非常难,要很多年才有一次改型的机会,而且改进幅度不一定很大。改进频率和深度的不足,使很多新技术新设计得不到验证和实用化的机会,不利于科研能力和产品技术水平进步。

而长征11号火箭,就同时承担着新型技术验证平台的角色;比如它的第一级火箭,是我国推力、燃烧室装药量、柔性喷管尺寸等方面都最大的型号,刷新了我国固体火箭发动机研制历史的多项纪录。这方面的性能和成本,就比现役的东风31甚至是传说中的东风41都要高。

三:长征11是未来远洋和空天交战的重要一环

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卫星是未来作战中的重点打击目标

长征11号火箭全长20.8米,重58吨,起飞推力120吨;能够把700公斤的物资送到低轨道,把350公斤的物资送到太阳同步轨道。单纯从性能上看,长征11号并不出彩;从经济性上看,长征11号采用固体燃料发动机,肯定也不划算,那么它的优势在哪里?

长征11号的核心用途,在于面对巨大自然灾害、严重战争威胁等情况时,我国可以快速补发多枚卫星,对热点地区进行非常详细的实时监控——包括在传统的火箭发射场,比如酒泉基地被破坏的极端情况下。

这种能力的重要性源于两个两个方面:首先,在平时就维持一个高密度的卫星网络,对地面进行过度的太空监测成本代价过于昂贵,经济压力太大。其次,现在反卫星技术已经越来越成熟,未来战争爆发时,敌我双方互相大规模猎杀对方卫星的概率相当高,必须早作防备。

尤其是对于远离地面监控体系、爆发在远洋和空天上的交战时,卫星对于信息获取的意义更是无论如何强调都不过分。而长征11号火箭,就是我国未来战略系统中非常重要的一个环节。(作者署名:候知健)

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