在家學會打贏核戰爭 【飛羽社】在家學會打贏核戰爭（二）——液體、固體火箭燃料有什麼區別？

大家好,這裏是飛魚社。 2019年國慶大閱兵禮,伴隨着雄壯有力的東風浩蕩進行曲, 我們向世界展示了四種不同的洲際導彈, 分別是液體燃料的東風-5B以及固體燃料的東風-31甲改、東風-41和巨浪-2潛射彈道導彈。 看到這些,很多觀衆朋友可能就會想, 我國爲什麼會同時裝備兩種不同燃料的彈道導彈, 這兩種燃料的導彈又有什麼區別? 今天我們就來簡單地聊一下。 彈道導彈的液體燃料一般爲四氧化二氮做氧化劑, 偏二甲錦做還原劑的燃料組合。 這種燃料組合在充分燃燒後會產生二氧化碳、水與氮氣。 趕緊有衛生啊。 不過熟悉火箭的觀衆朋友可能馬上就會想到, 作爲衆多液體燃料組合方案中的一種, 使用偏二甲錦與四氧化二氮的發動機性能並不是最好的。 衡量液體發動機的性能就離不開比充, 其定義爲每單位燃料所能提供的充量, 比充越高,那麼火箭在使用同等重量燃料的情況下關機速度就越高。 舉個例子,我國某型火箭裝備的液發50D發動機, 使用的就是錦類燃料, 它的比充只有315秒左右, 採用液氧煤油燃料的發動機一般比充在340秒到360秒之間, 而後來的液氧液氫發動機比充至少可以達到420秒, 先進的液氧液氫發動機比充可以超過440秒, 甚至一些預言中的液氧液氫燃料發動機將比充逼近到460秒。 既然如此,液體燃料的洲際導彈爲何不用比充更優的液氧煤油, 液氧液氫發動機, 寧願忍受相對更低的射程和載荷, 也要用偏二甲井與四氧化二氮的組合呢? 想參與無獎競猜的觀衆可以把答案打在屏幕上。 沒錯,就是爲了安全性與可靠性。 偏二甲井與四氧化二氮組合在安全性可靠性上的優勢主要分爲兩個方面。 首先,偏二甲井和四氧化二氮儲存起來要比液氧液氫更加方便。 四氧化二氮液體常溫條件下就可以存儲, 一般情況下只需要考慮其高腐蝕性對慣體的影響即可, 偏二甲井更是隻需要做到不漏就行。 而儲存液氧液氫則必須滿足低溫高壓等條件。 其次,四氧化二氮與偏二甲井就像一對異地戀的小情侶, 只要接觸就會猛烈的燃燒,不需要任何額外的點火措施。 這對於簡化導彈的結構與提高點火可靠性來說是非常大的利好。 對於軍品來說,安全性可靠性就是一串零前面的一, 一切性能都建立在其上。 所以偏二甲井與四氧化二氮組合在一種液體燃料中成功勝出, 成爲了液體洲際導彈的首選。 然而只是在液體燃料中算安全並不代表井類燃料的液體火箭發動機 偏二甲井與四氧化二氮這兩種物質無論怎麼說都有劇毒, 任何一點輕微泄露都可能導致嚴重的後果。 其中偏二甲井就是一種神經性毒系,它對中樞神經系統有興奮作用, 人體吸入後會產生強制性痙攣以及諸多併發症, 其強減性也會造成人體皮膚灼傷,嚴重時會導致死亡。 四氧化二氮的毒理則與偏二甲井完全相反,這是一種酸性的有毒物質。 吸入後主要威脅呼吸道,並可能會導致肺水腫甚至染色體突變。 1975年的7月24日,在美蘇阿波羅聯盟太空聯合測試計劃的降落過程中, 三名美國航天員就因爲四氧化二氮泄漏而中毒。 這起事故導致一名航天員在降落期間失去知覺, 全部機組人員因爲化學性肺炎和水腫住院14天。 除了毒性別忘了我們上面說過四氧化二氮和偏二甲井接觸後就會自燃。 1986年前蘇聯的667U型戰略核潛艇北德溫斯克號, 在航行中導彈發射單元出現了水密失效,高壓海水突然灌入將燃料注箱擠爆, 導致四氧化二氮與偏二甲井泄出並接觸,從而引發了一場大爆炸,導致潛艇沉沒以及數名艇員傷亡。 1980年在阿肯色州的小石城空軍基地, 一枚大力神II導彈在維護過程中彈體被一枚技工失手滑落的扳手砸穿, 隨後燃料的泄漏引發了導彈爆炸,事故造成該導彈與發射井全毀,一人死亡。 所幸該導彈當時搭載的那枚爆炸當量1000萬噸的核彈頭, 只是被巨大的衝擊力拋到了100米外的草叢中,並沒有產生更嚴重的後果。 這還不算完,液體燃料的可靠性還有第三個缺陷,那就是四氧化二氮的腐蝕性。 液體燃料的火箭發動機除了最基本的注箱和燃燒室以外, 還需要增壓系統、管路系統、輸送系統、冷卻系統、組分比調節系統等等。 這一套複雜的結構是爲了確保偏二夾井與四氧化二氮只有發動機需要點火的時候纔會被噴入燃燒室併產生化學反應。 但與此同時,四氧化二氮的腐蝕性對這些複雜的機構來說卻非常具有破壞力。 對於燃料注箱來說,如果想要長期儲存四氧化二氮,只需要在內層增加抗腐蝕材料附膜, 但發動機系統管路的各種閥門等精密設備卻無法進行此類抗腐蝕處理。 如果這些設備長期浸泡在四氧化二氮中,就很容易因爲腐蝕而失效。 因此,液體燃料在日常情況下一般不會被直接儲存在導彈的燃料注箱內,往往在發射前纔會進行加註。 那麼就有一個很明顯的問題,如果敵軍毫無徵兆地發起先發制人核打擊, 沒有儲在戰備狀態下的液體燃料導彈很可能來不及進行加註作業。 這時候你唯一能祈禱的就是發射井的防禦措施能夠起到作用。 爲了解決這個問題,科學家們發明了安布燃料注箱。 沒錯,就是你去醫院進行臀部注射時護士姐姐們掰的那個安布瓶。 安布在醫藥方面使用時間很久,在火箭燃料儲存上大概用途也與其相當, 那就是對瓶中的液體進行一次性封存,只不過是罐子的體積大了許多,技術細節也有些不一樣。 醫藥的安布工藝是利用高溫對灌裝藥劑的玻璃瓶進行封口, 而導彈的注箱則是使用了一種名叫爆破隔膜的設計。 這種隔膜會阻塞住燃料注箱與其他系統連接的管系, 只有進入發射準備程序時,這些隔膜纔會自爆並讓液體燃料進入管系中。 這樣在導彈的日常儲存過程中就不必擔心飼養花兒蛋搞壞各種精密閥門了。 利用安布燃料注箱,導彈可以在較長時間內儲存液體燃料。 當前俄羅斯和朝鮮的液體燃料導彈均使用了這種技術進行密封。 綜上,雖然我們一定程度上解決了液體燃料的腐蝕性導致難以長期儲存的問題, 但燃料泄露導致中毒爆炸的風險依然難以避免,且一旦發生後果極其嚴重。 爲了降低這種風險,液體燃料導彈就很難採用車載方式進行機動, 將其塞入狹小且運動的戰略核潛艇和發射列車中風險同樣也不小。 能夠保證較高安全性的儲存方式基本上就只剩下了地下發射井一種。 在這種背景下,固體燃料導彈應運而生。 固體燃料導彈一般採用複合固體推進劑,與液體推進劑組合不同的是, 固體推進劑中的還原劑在參與氧化還原反應的同時還需要充當粘合劑, 像膠水一樣將顆粒狀的氧化劑與其他添加劑包裹固化起來。 所以很大程度上粘合劑的力學性能就會主導複合固體推進劑的力學性能。 而一種固體推進劑的力學特徵是否利好於加工, 很大程度上就決定了使用這種推進劑的導彈能否在大批量生產中提高效率降低成本。 因此在固體推進劑幾十年的發展中,進步最大的就是粘合劑成分, 且推進劑的名稱也會用這種只佔到總質量百分之十幾的粘合劑來命名。 早期的固體燃料火箭一般使用雙基推進劑, 這種將液體硝酸甘油進入固體消化纖維素也就是消化棉所製造出來的推進劑, 後來被用在了暴打德國法西斯和美帝主義的BM-13卡丘莎火箭炮上。 1942年加州理工自殺小隊的成員傑克·帕森斯發明了一種新的固體推進劑, 這種推進劑首次使用了高氯酸胺AP作爲氧化劑, 代替了高氯酸鉀和硝酸鉀等氣體產生量較低的氧化劑。 更爲重要的是軟化溫度點較低的非晶體材料鋰氫首次被用作推進劑中的還原劑, 這標誌着粘合劑自此登上了歷史舞臺。 這種力學性能良好的固體推進劑在製造火箭時能夠實現焦柱, 且含能較高,因此對比曾經的雙基固體推進劑產生了極大的優勢。 然而氯氫高氯酸胺組合的優勢並沒有維持多久, 粘合劑的材料很快被替換爲性能更好的聚硫橡膠, 之後又逐步發展出聚氯乙烯、聚丁二烯丙烯酸、聚胺脂、 丁二烯丙烯酸丙烯脂三聚物、端縮基聚丁二烯等若干種推進劑。 真正使固體推進劑的性能達到較高水平的, 是端搶基聚丁二烯HTPB的使用。 這種推進劑的生成含高,力學性能好,年度低,儲存性能好,甚至還很便宜。 HTPB這種五邊形戰士對一枚固體燃料火箭的混料、 膠柱、運輸、發射等所有生產使用過程都非常地友好, 因此直到今天你仍然可以在許多固體燃料火箭上看到它, 不過這種推進劑卻不是每個國家都能玩轉的。 HTPB常態下是一種接近透明的淡黃色液體, 將其與AP混合製備成HTPB-AP推進劑還需要經歷若干工藝。 大體上來說第一步是往其中加入鋁煤等能夠提高推進劑能量的金屬粉末, 第二步就是將氧化劑高氯酸氨混入其中並攪拌均勻。 均用固推的生產中甚至還需要加入高能炸藥等成分來增加比衝。 也就是第二步開始HTPB-AP推進劑的生產過程會變得高度危險, 因爲此時氧化劑與還原劑已經完全融合, 並且包裹在還原劑中的高能炸藥還極其易燃易爆, 此時任何一點火星甚至高壓都會導致一場無法控制的高速自燃。 在這個過程中還需要考慮到氧化劑以及其他添加劑含量的問題, 這會給HTPB-AP推進劑的年度帶來很大的影響, 如果添加劑太多導致年度太高就會影響焦柱, 如果添加劑太少,比衝數據又會非常難看。 最後向攪勻的旋軸液中加入固化劑, 再進行真空捏合、膠柱、固化、脫模、精修等加工, 一枚固體燃料火箭的HTPB推進劑藥柱就生產出來了。 在以上的過程中,特別是在洲際導彈所需的大型藥柱的加工中, 如何避免極其危險的高溫高壓環境出現, 以及各種添加劑的配方具體比例是多少, 對於許多國家來說至今依然是技術工藝上的未解之謎。 由於固體發動機的推進劑直接裝在燃燒室內, 其本身是一個完整的動力裝置, 所以固體燃料火箭平時所需的維護工作較少, 發射前更不需要像液體燃料導彈那樣進行提前加註、 補氣、測壓等準備工作,順帶也減少了大量地面輔助設備。 同時固體燃料也不會僅僅因爲殼體破損就發生爆炸事故, 安全性較液體燃料高得多。 所以儘管生產一枚固體燃料導彈是如此的危險, 但結果是絕對值得的。 1981年,美國一枚使用固體燃料的海神C3導彈在被吊出潛艇發射單元時, 不慎從5米高度跌落,但只造成了彈體破裂,並未發生泄漏或爆炸。 與此形成鮮明對比的是發生在蘇聯的R29RM液體燃料潛射導彈上的一起類似事故。 該事故同樣是在吊裝過程中因導彈與吊車固定不穩而發生的導彈跌落, 泄漏的燃料直接引發大爆炸,後果極其慘重。 固體燃料洲際導彈的安全性使其可以毫無顧忌地使用一臺T1轎車進行搭載, 在廣袤的國土上機動,也比較方便塞進火車或潛艇中維持長期戰備。 由此洲際導彈的生存性獲得了革命性的提升, 這也是一個國家擁有真正意義上的核反擊能力的基礎。 固體導彈雖好,但相比液體並非沒有缺點。 第一點就是HTPV AP推進劑的比重太小。 各位觀衆應該還記得視頻開頭說過, 使用P-2甲井四氧化二氮組合的發動機, 在衆多液體燃料發動機中比重並不算優秀,只有300秒出頭。 那麼使用先進HTPV推進劑的火箭真空比重大概是多少呢? 只有可憐的245秒左右。 雖然新一代比重能夠達到300秒以上的高能固體燃料, 比如NEPE等推進劑早已出現,並且應用在了先進的洲際彈道導彈上, 但受限於成本因素難以向其他導彈的助推火箭進行技術下放, 並進行大規模推廣。 第二點則是固體燃料火箭的推力與開關機無法自由控制。 液體燃料火箭在推進過程中可以利用各種閥門, 調節燃料流量和速度達到對推力控制的目的, 也可以實現多次分段的停車和啓動。 而固體火箭基本上點着了就停不下來了, 現有的分段多脈衝推進方案也只不過是增加一個固定位置的隔板, 無法做到對開關機的自由控制。 不過這兩個缺點並不能掩蓋固體燃料作爲洲際導彈主要燃料的優點, 也無法撼動固體燃料彈道導彈在現代戰略武器庫中的地位。 我國在幾十年的艱苦追趕後已經掌握了世界領先的固體推進機制造技術。 固體燃料彈道導彈的推廣不僅使各國核武庫的質量獲得了提高, 甚至給核戰爭的戰術戰略理念都帶來了很大的變化。 那麼使用固體燃料與液體燃料的導彈分別是怎麼進行部署的? 一枚導彈的發射流程準備工作又有哪些? 我們下期再見。