看焰观烟识火箭

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇看焰观烟识火箭范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

固体火箭推进剂的火焰与烟雾

如果说导弹是战神阿瑞斯投出的长矛，那么是谁塑造了战神的臂膀？如果说火箭承载的是夸父逐日的梦想，那么又是谁让夸父的双腿充满了能量？现代科技让人们拥有了自远古以来便无比憧憬的一飞冲天的能力，这种能力的背后推动者是各式各样的火箭发动机，而这些发动机的背后则是那些燃烧了自己，以自身的烟消云散换取发动机巨大推力的推进剂。

在推进剂被点燃之前，人们往往会忽略了它们的存在。其实在火箭、导弹那些亮闪闪的金属外壳下面，大部分是推进剂的天下——以美国“三叉戟”弹道导弹为例，其固体推进剂的质量占到了全弹质量的95%。

当推进剂被点燃之后，恐怕很难有其他东西能比那个场面更能吸引人们的眼球了。看过采用固体推进剂的导弹发射的人们往往会对导弹后面拖带的烟雾留下深刻印象。细心的人们或许还能看出这些烟雾的不同：有的是黑色的浓厚烟雾，像燃着了一堆潮湿的木柴；有的则是浓浓的白色烟雾，像拉长了一团白色的云彩；还有的则没有那么壮观，淡淡的烟雾很不明显，甚至连靠近发动机尾部的火焰也没有那么耀眼。造成这些区别的原因何在呢？产生哪种烟雾的推进剂会代表未来的发展方向呢？是霸气的浓烟滚滚还是低调的青烟一缕呢？

固体推进剂的出现

要想知道那些烟雾是怎么一回事，我们需要首先了解一下固体推进剂是由什么构成的。

能够成为推进剂的材料有很多，凡是能够在没有外界氧化剂存在的情况下发生不依赖于外力的持续燃烧，并能在燃烧期间产生大量高温气体分子或固体喷流的材料均有这个潜力。总体来说，燃烧是一种剧烈的快速放热的氧化还原反应，因此推进剂自身必须要同时含有氧化剂和充当还原剂的燃烧剂。氧化剂和燃烧剂都是固体的推进剂叫做固体推进剂。它们被制成符合设计要求的几何形状，浇铸或充填在一个一端开口的容器内。当被点燃的时候，推进剂的化学能转化成燃气的热能，在经过发动机喷管的时候，又部分转化成动能，形成推力。

最早的固体推进剂是被称为中国四大发明之一的黑火药。以硝酸钾、硫磺、木炭混合而成的黑火药早在公元808年便已有文献记载，并在北宋时期用来推动城防部队的火箭。公元1240年左右，黑火药的秘密被传播到了阿拉伯等地。黑火药的重要组成成分，充当氧化剂的硝酸钾被阿拉伯人称作“中国雪”，而波斯人觉得它的外表像盐，取名为“中国盐”。黑火药传播到欧洲之后，一直以发射药的身份见证了枪械火炮技术的飞速发展。然而，现代导弹和火箭上已经难觅黑火药的踪影了。让我们跳过黑火药的千年统治时期，直接来到1884年。这一年，法国工程师维埃利将硝化棉溶解在乙醚和酒精里，在其中加入适量的稳定剂，成为胶状物，并最终制成了世界上第一种无烟火药。从此，各种枪炮都开始采用了硝化棉制成的火药作为发射药。

硝化棉是一种纤维状的物质，很难做成固定形状的弹体装药，人们用粘稠的硝化甘油做增塑剂和硝化棉混合在一起便形成了双基推进剂。在很长一段时期内，双基推进剂都是固体火箭发动机的主要原料。硝化棉和硝化甘油本身都既包含氧化剂的成分又包含燃烧剂的成分。硝化棉有点儿富燃（燃烧剂的成分多一些），硝化甘油则有点儿富氧（氧化剂的成分多一些）。原本它们两个的配合是比较理想的。但是，随着人们对发动机性能要求的日益提高，这个经典搭配能够产生的比冲已渐渐不能满足人们的需要（比冲是一个描述火箭发动机性能的重要物理量，其定义为单位重量的推进剂能够带来的动量的改变量。相同重量的燃料，比冲越高，能够提供给的动量越大。中程弹道导弹的固体推进剂的比冲每提高1秒，射程会增加70千米左右。对于洲际导弹而言，每1秒的比冲增量则可以增加约100千米的射程）。工程师们开始为提高推进剂的比冲想尽办法。

于是，被称作“无烟火药”的硝化棉及其搭档硝化甘油，因为过于“单纯”，清洁有余而霸气不足，被人们拉下了固体推进剂的王者宝座。于是一个复合推进剂的时代到来了，一个向双基推进剂中加入各种添加剂的时代到来了，一个充满着烟雾和火焰的时代也随之到来了。

浓浓的烟雾来了

1936年，美国加州理工学院的冯·卡门博士（此人也是钱学森的导师）尝试用无机氧化物高氯酸钾和有机物沥青制作推进剂，开启了复合推进剂时代。随后，各种高氯酸物开始成为推进剂的主角。其中，容易制取、价格低廉的高氯酸铵（NH4ClO4）是早期烟雾制造者的代表。高价态的氯元素使其成了一种天生的强劲氧化剂。当氧化剂的能力是如此之强时，人们对燃烧剂的选择便开始随意起来。理论上，任何能够提供充足可燃的C、H、N等元素的物质均可做高氯酸铵的搭档。以高氯酸铵为氧化剂的复合推进剂一出现，就像一头怒吼的雄狮那样，急急地宣告着新推进时代的到来。说高氯酸铵像雄狮，并不仅仅因为其比双基推进剂有更大的比冲，力量更大，更是因为它爱张扬的个性。高氯酸铵当中的氯元素在燃烧的过程中与燃烧剂中的氢元素生成了氯化氢（HCl）。这种很容易凝结的气体（一单位体积的水能快速溶解500单位体积的HCl）能够在火箭的尾迹上形成大量的白雾，当火箭在较低温度的高空或在较为潮湿的海面附近发射时，白雾更为壮观，会形成长矛状或宝塔状的凝结云。以高氯酸铵为氧化剂的推进剂在赋予了火箭雄狮般的力量的同时，也带来了如雄狮鬃毛般霸气的腾腾雾气。

燃烧剂的选取是随意的，但是为了把药柱制成各种几何形状，这种以高氯酸铵为氧化剂的推进剂还需要充当粘合剂的物质。在导弹（或火箭）飞行的过程中，气动加热会使壳体的温度迅速升高，而固体药柱的导热性则远逊于金属壳体。这样的温度差异使得药柱与壳体之间产生了拉应力，如果粘合强度不够的话，药柱可能会提前剥离。高聚物在这时进入了人们的视野。它们含有大量的C、H等元素，可以充当燃烧剂，同时它们有良好的粘合性能和可塑性（高分子聚合物，俗称为塑料）。这些多面手角色的聚合物深受火箭设计师的喜爱，以至于他们直接用聚合物的名字来命名各种复合推进剂。

最早出现的高聚物粘合剂是聚硫橡胶（Thiokol）。它是上世纪20年代末出现的明星产品，代表着高分子化学的重大进步。早期型号的“响尾蛇”AIM-9B空空导弹、“海神”导弹的推进剂都采用了这种粘合剂。然而，名气并不意味着实力。因为聚硫橡胶中含有大量硫原子，其燃烧产物的分子量较大，能量较低，所以这种推进剂早已被淘汰。促成其淘汰的另一个可能的原因是：在燃烧过程中，如果氧平衡没能很好地实现，这种推进剂会产生令人印象深刻的黑烟，就像是燃着了一堆废旧汽车轮胎一样（硫化橡胶本身就是轮胎的主要成分）。