火箭新型推進劑是什麼（我國固體火箭推進劑在世界上位於什麼水平）

2023-05-29 17:12:58

火箭是一種歷史悠久的武器，自從宋朝發明以來，世界各地都有著對這種獨特的一點火就能自己飛出去的武器展開了各種奇奇怪怪的研究與改進。特別是第二次世界大戰期間，隨著化學工業的進步，各類火箭層出不窮，在戰術上的火箭筒和火箭炮帶來了遠超身管火炮的投射能量；而制導武器的飛速發展也為火箭在戰術武器上的進一步應用帶來了發展方向。戰略上，以V-2為代表的彈道飛彈更是改寫了未來戰爭的發展方向，火箭技術的發展開始進入各國政府首腦的眼中。

但是正如豆腐腦的甜鹹之爭與百事可口的大戰一樣，在火箭武器的發展過程中也出現了兩大派別——固體推進劑與液體推進劑。顧名思義，固體推進劑與液體推進劑最大的區別就是推進劑的物理狀態。一般來說，固體推進劑擁有著較高的推力、結構簡單、燃料密度高，貯存方便的優勢。但相比液體推進劑的火箭則有著燃燒時間短（比衝低）、無法關機與加工困難等劣勢。這種特性使得固體火箭曾經佔據了從單兵火箭筒到空空飛彈的幾乎所有戰術火箭武器的統治性地位，而需要長時間飛行的航天火箭則在相當長時間內被液體火箭所統治。

自二戰以來，固體推進劑的技術突飛猛進，特別是相關的燃燒理論在50-70年代飛速發展（雖然發展到現在大多還是經驗公式），為大型的固體火箭設計提供了理論的基礎；與此同時，材料和化學工業的進步也為軍事和航天工業帶來了進步。而在關鍵的能量指標下，固體推進劑的能量水平已經從1950年的1961N·s/kg發展到了1999年的2579N·s/kg。目前，常見的固體推進劑大多是由氧化劑、可燃劑與粘合物等配料組成。發展也經歷了從早期的單基推進劑（含義就是單一化合物組成，其中常見的就是硝化棉，本身是氧化劑又有還原劑的成分）到雙基推進劑（硝化棉由於難以固定和粘稠的硝化甘油混合使用來定型），再發展到現在的複合推進劑。

而隨著技術的發展，卡門博士（錢學森導師）發現了高氯酸鉀和瀝青混合起來做推進劑有奇效，這開創了複合推進劑的時代。此後高氯酸物成為了固體推進劑的主力，由於氯元素在高價態有著強勁的氧化能力，理論上任何可燃物都可與之搭檔，因此用什麼做燃燒劑就成了二戰後科學家的研究方向。

由於固體火箭燃燒中藥柱容易因為熱量不均勻發生崩裂，因此需要一些聚合物粘結。而這些聚合物不但可以做膠水，本身又因為是有機物含有大量的C與H元素進行燃燒。這就是現代複合推進劑都用粘合劑有機物進行命名的原因——因為他們雖然不多，卻是各類高氯酸物火箭中區別最大的地方。

除了高聚物之外，人們還發現往推進劑內添加一些金屬粉末作為可燃劑能極大的提升能量密度（常用的就是超細級的鋁粉），這也就是為什麼一些含有金屬鋁粉的塗料在出口時還得申報飛彈管制條例的原因。這種複合推進劑有效的提升了固體火箭的性能，而傳統的液體彈道飛彈存在著發射準備周期長，貯存不安全，上升段時間過長等不足，在這種需求下，高性能固體火箭的發展也被國內外列入了發展的重頭。目前，主要常用的是HTPB（端羥基聚丁二烯）推進劑和NEPE推進劑，其中HTPB這種推進劑由於研發較早，被國內外廣泛的用於各類戰術/戰略火箭/飛彈武器上。

不過固體推進劑的這種硬指標進展迅速的勢頭在上世紀末被暫時遏制住了，這種瓶頸是材料科學和物理規律所決定的——暫時沒有比鋁粉更好的金屬燃料和比AP（高氯酸銨）更好的氧化劑，但是有機聚合物的研發又是緩慢的。在進入21世紀後固體火箭推進劑的研發方向一方面是尋找更好的聚合物用來充當粘合劑與燃料，一方面是改善和尋找能讓發射特徵更小的材料。在這種情況下，美國於1994年提出了「一體化高效火箭推進技術計劃（IHPRPT），而這一項目的成果就是標誌著目前世界最先進水平之一的NEPE。除此之外，新一代的推進劑在其他層面也提出了新的要求，例如在不損失較多能量水平的基礎上，要求推進劑有低特徵信號、鈍感（低易損性）和環保（或者說避免中毒）的要求。

而我國曾經與世界頂尖水平有著差距，這種差距部分是由於我們歷史投入不足和發展不平衡不充分等因素。例如上文中提到的HTPB，西方國家很早就將其作為飛彈常用推進劑，而在我國紅旗9防空飛彈的改進過程中，還特別提到了建立了HTPB生產線為提高射程做出了巨大貢獻。此外，紅旗9改進型的一個重要改進就是將用聚醚聚氨酯推進劑替換為了HTPB推進劑。到目前，我國的HTPB推進劑在理論比衝與壓強指數等上與國外同類水平基本一致。

在防空飛彈之外，空空飛彈也是一個固體推進劑火箭的熱門領域，如果說防空飛彈與彈道飛彈如果用液體只是不方便戰備，那麼對需要嚴格控制體型和重量的空空飛彈來說，是無論如何也無法接受液體火箭作為飛彈的主要動力——畢竟誰也不想帶著一噸重的格鬥彈玩狗鬥。

而在彈道飛彈方面，目前世界各國固體彈道飛彈推進劑的主流仍然是HTPB。例如俄羅斯的RS24，三級火箭均採用了HTPB推進劑，白楊M也是HTPB（後期改進型號為HTPB HMX），美國的和平衛士使用改性HTPB推進劑，三叉戟C4也使用了HTPB推進劑。不過三叉戟D5則三級火箭全部使用NEPE75推進劑。

我國早期固體彈道飛彈受工業能力限制，上世紀末研製出的固體洲際彈道飛彈還只是與美俄等國一樣使用HTPB推進劑。而到了新世紀，隨著科研投入的加大，N15推進劑已經投入生產，這種推進劑在關鍵指標上只略遜於同類型的美國NEPE75（密度上N151為1.841克每立方釐米，NEPE75為1.846，燃速上也略高因此需要更厚的殼體）。而新一代的H16、S17等新一代GAP固體推進劑也已經於2016年前後研製完成，這些新一代推進劑的密度將比NEPE提升約5%左右，同時其燃速也已經進一步降低。這些推進劑可以應用在某新型洲際彈道飛彈和下一代潛射彈道飛彈上。

不過比拼並非僅限於此，固體推進劑說白了就是能燒的固體，而科學家們顯然不滿足於現有的燒聚合物於AP和鋁混合物的方式，畢竟聚合物和鋁的能量是有限的。那麼有沒有不做聚合物的出路呢？在2017年的年初，中美兩國的科學家就在《science》上以幾乎中門對狙的方式發布了各自的新成果——全氮陰離子鹽與金屬氫。不過很奇怪的是，1月26日報導的金屬氫在2月22日就因為操作失誤消失了。

美國那邊的金屬氫雖然不穩定，但不代表我們的就完全勝出了。雖然媒體此前鼓吹全氮陰離子鹽 「佔領超高能含能材料制高點」，「理論能量密度為黃色炸藥10-100倍」。但實際上胡炳成教授曾在接受材料人網的採訪時指出，目前合成出的全氮陰離子鹽並不具備作為含能材料的條件。也就是說現階段的產品只是確認了該方向的可行性，為今後的發展指出了一條革命性的道路，但是他本身並沒有爆炸的能力也無從談起其爆炸威力是TNT的多少倍。因此可能會讓希冀和吹捧此物能迅速投入使用/量產的人失望。

而除了設計方面外，以筆者有限的行業經驗看，目前我國的固體推進劑與相關的火工品方面來看仍然存在諸多需要改進的問題：例如在低端產品中，火工品生產中的不規範和不嚴格按照標準生產加工仍然是個老大難問題，這些不規範的生產或驗收很有可能影響一些低端產品的實際性能與品控。畢竟固體推進劑最多的用處還是各類單兵火箭筒與火箭彈，因此較低端產品的性能也不可忽視。此外生產過程自動化程度較低，操作人員可能較難掌握新產品的生產要領，成本與安全問題的控制更是貫穿了行業的始終（例如在N15基礎上開發出了一個廉價版本的N15B）。

在固體推進劑之外，仍然有很多因素影響火箭的性能，例如其殼體強度與重量也會明顯的影響火箭的性能；燃燒室技術也會影響工作效率。因此，我國的固體火箭技術仍然有著相當大的進步的空間，而固體火箭上的每一次基礎突破，都能帶動從空空飛彈到洲際彈道飛彈性能的重大提升，也正因為如此，我們才需進一步加大投入。而我們也相信，我們的科研人員還能一如既往的為我們帶來新的驚喜。