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1.印度明年实验大型固体火箭发动机

图1:印度GSLV Mark III重型火箭模型。

关注印度航天—从大型固推到洲际导弹有多远

日印发展大型固体火箭发动机

近期两则新闻引起了网友的极大关注。

一是日本宇航探索局(JAXA)希望在2010年开始三级“先进固体火箭”(ASR)全尺寸研发工作,在2012年或2013年首次发射。ASR将采用H-IIA火箭和H-IIB重型火箭的SRB-A型捆绑式固推作为第一级,但采用了降低成本的简化工艺,第二级和第三级则分别基于现有M-V固体火箭的第三级和第四级。

二是印度太空研究组织(ISRO),为下一代地球同步运载火箭GSLV Mark III研制的大型固推将于明年1月试验,该助推器重量超过200吨,印度明显夸大地将其称为世界上第三大固体火箭。

固体火箭技术军、民用分野明显

而人们对于这两种固体火箭的关注,主要是条件反射般联想到固体弹道导弹。的确两者之间有某种先天的技术关联,但航天技术发展到今天,军用技术与民用技术已经有非常明显的分野,将两者直接划等号实际上并不可取。

固体弹道导弹所需的一些技术要求和特殊工艺,在大型固推上其实并不需要,反之亦然。

2.客体技术军民用差异大

从技术上来讲,固推火箭的装药配方和壳体材料反映其基本技术水平,壳体材料越轻,火箭总质量轻、射程就越远。但在具体讨论过程中并不能绝对化,民用固体火箭发动机因为对重复使用上的要求,现在就普遍使用质量最大的钢壳体。

军用固体火箭发动机追求轻质壳体

弹道导弹所使用的军用固体火箭发动机,因为射程上的极端要求,就追求轻质的壳体材料。从壳体材料发展来看,首先是以低合金钢为主的金属材料,然后是采用纤维缠绕工艺制造的玻璃钢壳体,50年末美国的“北极星”A2潜射导弹第二级壳体就采用了玻璃钢。接着又出现了环氧树脂和芳纶纤维,后者最常见的当然是凯夫拉纤维。80年代中期碳纤维发展迅猛,树脂基体的碳纤维增强材料开始得到应用。

图2:中国在长征二号E上的变轨上面级ETS也有使用HTPB。

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固体火箭的聚合物粘结剂常见的有端羟基聚丁二烯(HTPB)、聚丁二烯丙烯酸(PBAA)、聚丁二烯丙烯(PBAN)等,它们在发动机工作时也作为次级燃料。单纯从性能上来说,HTPB要比PBAN稍好一些,而且有很好的燃速控制,燃烧过程也比较稳定,药柱机械性能、存储时间、生产成本也相对优良。但是对于弹道导弹来说,HTPB有一些严重问题,它对环境湿度也比较敏感,还会产生明显的烟雾,喷流温度也非常高,这意味着更容易被敌方卫星所侦测到,当然这也是高性能固体推进剂所难以克服的,一般通过缩短发动机工作时间来缓解。

军用固体火箭发动机需要适应苛刻环境

大型药柱的加工有很高的难度,代表了这个国家在化工领域的技术水平,但是固体弹道导弹通常不需要那么大,其加工难度主要体现在其他方面。相对航天用大型固推,固体弹道导弹的使用环境非常严苛,其服役时间一般长达20年甚至更久,推进剂和添加剂的老化和降解就必须加以考虑,即便如此每隔一定时间进行抽检和试射仍旧是必要的,这是美国海军要经常试射“三叉戟”II潜射弹道导弹的原因之一。

图3:三叉戟经常进行试射,推进剂老化是原因之一。

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大型固推则完全不同,它们是按照发射任务专门生产的,相对而言产量不会特别高(除非直接使用现成的远程固体弹道导弹)。而且航天用固体火箭没有长期存放的需要,从完成药柱浇注出厂到运抵发射场进行总装,再到最后点火发射时间间隔不会太长,几乎不需要考虑老化和降解的问题。

航天用固体火箭的运输都十分小心,而军用固体弹道导弹就比较粗暴,特别是需要机动发射的固体弹道导弹,虽然发射容器有完善的减震措施的,但还是不可避免要受到反复震动。在最坏的情况下,药柱可能因颠簸和振动形成裂纹,甚至从壳体上局部剥落,这都将严重威胁发射安全,因此必须采用特殊措施。复杂电磁环境不仅意味着干扰,也意味着固体火箭的意外点火。意外点火不仅可能来自自然界的闪电或静电,也可能来自己方的电磁辐射源或者其他人造强辐射,例如电磁脉冲弹或者核弹的爆炸。温度也是一个指标,固体弹道导弹需要有宽得多的温度适应范围。

图4:快速机动中的东风21,导弹这时将产生很大的抖动。

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3.药注加工的军民用工艺

现役弹道导弹所使用的复合推进剂

目前,大型固推和固体弹道导弹采用的推进剂是所谓复合推进剂和改性复合推进剂,常规复合推进剂一般采用60%-72%的高氯酸盐(AP)作为氧化剂,常见的是高氯酸铵(NH4ClO4),加上不超过22%的铝粉作为燃烧剂,辅以8%-16%的聚合物作为粘合剂(包括固化剂等添加物)。

所谓改性复合推进剂会添加一定的高能炸药,例如奥克托今(HMX)或黑索金(RDX),以略微提高推进剂的性能,同时推进剂的密度也会有所增加。改性复合推进剂还会像双基推进剂一样,添加一定的硝化甘油作为高能可塑剂。

再往上发展就是高能复合推进剂,将黏结剂和固化剂替换为高能材料,同时也将部分高氯酸盐替换为奥克托今。有些高能复合推进剂也被称为人造橡胶改性浇注双基推进剂(EMCDB),理论比冲可以达到270-275秒,但大部分配方还处于试验阶段。

图5:中国在长征二号E上的变轨上面级ETS也有使用HTPB。

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固体火箭的聚合物粘结剂常见的有端羟基聚丁二烯(HTPB)、聚丁二烯丙烯酸(PBAA)、聚丁二烯丙烯(PBAN)等,它们在发动机工作时也作为次级燃料。单纯从性能上来说,HTPB要比PBAN稍好一些,而且有很好的燃速控制,燃烧过程也比较稳定,药柱机械性能、存储时间、生产成本也相对优良。但是对于弹道导弹来说,HTPB有一些严重问题,它对环境湿度也比较敏感,还会产生明显的烟雾,喷流温度也非常高,这意味着更容易被敌方卫星所侦测到,当然这也是高性能固体推进剂所难以克服的,一般通过缩短发动机工作时间来缓解。

军用固体火箭发动机需要适应苛刻环境

大型药柱的加工有很高的难度,代表了这个国家在化工领域的技术水平,但是固体弹道导弹通常不需要那么大,其加工难度主要体现在其他方面。相对航天用大型固推,固体弹道导弹的使用环境非常严苛,其服役时间一般长达20年甚至更久,推进剂和添加剂的老化和降解就必须加以考虑,即便如此每隔一定时间进行抽检和试射仍旧是必要的,这是美国海军要经常试射“三叉戟”II潜射弹道导弹的原因之一。

图6:三叉戟经常进行试射,推进剂老化是原因之一。

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大型固推则完全不同,它们是按照发射任务专门生产的,相对而言产量不会特别高(除非直接使用现成的远程固体弹道导弹)。而且航天用固体火箭没有长期存放的需要,从完成药柱浇注出厂到运抵发射场进行总装,再到最后点火发射时间间隔不会太长,几乎不需要考虑老化和降解的问题。

航天用固体火箭的运输都十分小心,而军用固体弹道导弹就比较粗暴,特别是需要机动发射的固体弹道导弹,虽然发射容器有完善的减震措施的,但还是不可避免要受到反复震动。在最坏的情况下,药柱可能因颠簸和振动形成裂纹,甚至从壳体上局部剥落,这都将严重威胁发射安全,因此必须采用特殊措施。复杂电磁环境不仅意味着干扰,也意味着固体火箭的意外点火。意外点火不仅可能来自自然界的闪电或静电,也可能来自己方的电磁辐射源或者其他人造强辐射,例如电磁脉冲弹或者核弹的爆炸。温度也是一个指标,固体弹道导弹需要有宽得多的温度适应范围。

图7:快速机动中的东风21,导弹这时将产生很大的抖动。

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4.军用固体火箭发动机点火控制更复杂

军民用火箭的柔性喷管

火箭推力矢量控制是具有较高技术含量的领域,对于液体火箭和固体火箭都是如此。大气层内飞行的导弹,可以采用气动控制面来改变飞行轨迹,如要采用推力矢量也可以使用最传统和简单的燃气舵。但大型固推的喷流温度高、工作时间长(可达百秒以上),采用燃气舵基本是不可能的。

过去经常在大型固推旁再捆绑小火箭,通过对偏流的可控干扰来实现推力矢量,而现在更多是利用可偏转的柔性喷管。弹道导弹也需要这项技术,只不过由于火箭本身要小很多,实现起来的难度也要大幅降低,但两者的技术确实是相通的。

图8:柔性喷管中带矢量控制元件,这种方式的控制效果更佳。

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军用固体火箭发动机点火控制更复杂

运载火箭的捆绑式固推一般是单级的,而弹道导弹则采用多级构型,后者的技术复杂性就要大出许多,牵涉到弹道导弹的总体设计,例如要考虑级间段的设置和上面级的空中点火,这其实并不那么容易掌握。运载火箭的中型固推有时也会采用分批点火方案,部分固推可以在起飞后空中点火,但那毕竟仍然是在低空,与高空点火绝对不可同日而语。

从控制上来说,运载火箭主要依靠在测控体系支撑下,按照指令和程序完成固推的点火和分离。但是弹道导弹则需要在制导系统的控制下,仅有核弹和火箭而无制导是不可能构成完整的弹道导弹的,这是复杂的系统工程。

图9:分导式多弹头导弹分离过程比火箭更为复杂。

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5.弹道导弹固体的固体上面级技术难度更高

另外,人们容易忽视固体火箭发动机在上面级上的应用,其实这和中远程弹道导弹,特别是洲际导弹关系很大。出现这种情况主要是采用固体火箭发动机的上面级很少,而且高性能上面级几乎无一例外采用氢氧低温发动机,但实际上最早的上面级中就有固体火箭的身影,当年美国在用“红石”火箭发射卫星时,就采用集束固体火箭作为上面级。

迄今为止最先进的固体上面级是美国的“惯性上面级”(IUS),这种上面级最早是为了从航天飞机货舱内发射卫星而研制的,后来也搭载在“大力神”IV系列运载火箭上。IUS反映了80年代中期美国的固体火箭技术,其最大的特点就是采用了三段式喷管,可以将截面比从49.3提高到181。

这个技术对于中远程弹道导弹也十分有价值,军用导弹必须要控制尺寸,尤其是潜射弹道导弹对长度的要求更严格,否则就容易出现苏联“德尔塔”级弹道导弹核潜艇(SSBN)上那种龟背,或者被迫采用“台风”级那样超常规的变态设计。

图10:伽利略号飞船的惯性上面级正与航天飞机对接。

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弹道导弹的第二级和第三级(如果有的话)需要高空点火,因此需要采用截面比更大的喷管,避免出现喷流过膨胀的情况。但在导弹的总长度约束下,往往只能采用可延伸的分段喷管。显然,能够研制出可以用于弹道导弹第一级的大型固体火箭发动机,并不意味着能够研制出可用于第二级和第三级的固体发动机,而后者对于弹头的投掷重量和投掷精度将起到重要的影响。

这个技术有多重要,大家只要去看看俄罗斯命运多舛的新一代潜射弹道导弹“圆锤”就可以了。在2009年12月10日的最近一次试射中,由于其第三级发动机工作不稳定,导致试射再次失败。而在此前的试射中,“圆锤”的第三级曾不止一次发生故障,已知的有2006年12月24日的试射和2008年12月23日,凑巧的是第三级出故障的试射都发生在12月份。

图11:俄圆锤导弹有三次试射失败就栽在第三级不稳定上。

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结语:在航天技术高度发达的今天,军用航天与民用航天的技术路线已经出现分野。印度、日本研发大型固体火箭发动机,并不意味着两国正在发展洲际导弹洲际导弹诸多独特的技术要求是民用火箭所不能满足的。但两国在航天领域的努力,确实也在突破一些军民通用的技术,为日后可能的决策打下基础。

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