航天时代的“一硝二磺三木炭”——固体火箭发动机_风闻

马氏体-04-07 20:46

2023-04-07

固体火箭发动机的固体推进剂直接安置在燃烧室内，点燃后化学能转化为内能，生成高温高压的燃烧产物，经喷管膨胀加速，内能转变为动能，高速排出产生推力。

与使用液态推进剂的液体火箭发动机相比，具有结构简单、同等尺寸下推力大、易于储存和快速响应、成本更低等优势，但也存在比冲小、推力大小难以调节等缺点，除了在导弹、火箭弹等军事领域的应用，还被作为大型运载火箭的助推器和快速响应发射的轻型运载火箭的主要动力。

（法国SEP公司于1977年研制的远地点发动机，重356千克，推力22.5千牛，用于把地球静止轨道卫星从椭圆形轨道加速推入3.6万公里高度的静止轨道）

减轻自重、使用高能推进剂，是提升固体火箭发动机性能的两大方面。

壳体材料从钢、钛合金等金属，发展到玻璃纤维增强树脂，再到碳纤维、芳纶纤维增强树脂。后三种复合材料壳体是由纤维浸渍树脂、在模具上缠绕成型、固化得到的（上图是我国快舟11火箭发动机壳体的碳纤维缠绕过程）。

固体火箭发动机工作时，温度超过三千度。在壳体内壁衬有隔热层（图4），由耐烧蚀纤维增强的橡胶制成（丁腈、三元乙丙、硅橡胶、聚膦腈等）。喷管材料从钨等高熔点金属发展为碳/碳复合材料。

衡量推进剂性能的最重要指标是比冲，即单位质量推进剂所产生的冲量，对应于发动机每秒消耗单位质量推进剂所产生的推力。从传统的黑火药开始，固体推进剂迈向高能化。

现代固体推进剂可分为三大类：一是双基推进剂，以硝化纤维和硝化甘油为主，添加各种添加剂，可看作一种塑料，加热融化后挤出成型或浇注进发动机壳体内；

二是复合推进剂，把氧化剂（高氯酸铵）和金属燃料（铝粉）分散在液态预聚物（如端羟基聚丁二烯，HTPB）中，并加入各种添加剂，固化成型，可以看作是以橡胶为粘合剂的复合材料；

三是结合上述两类推进剂成分和性能特点的改性双基推进剂，如向双基推进剂中加入大量氧化剂（且用高能炸药部分代替高氯酸铵以提升性能）和燃料得到的复合改性双基推进剂，加入交联剂提升硝化纤维基体的力学性能、容纳更多氧化剂和燃料的交联改性双基推进剂，更有现役最高水平推进剂——高能硝酸酯增塑聚醚（NEPE）：以聚醚粘合剂（如聚乙二醇、本身含高能基团的叠氮聚醚）代替硝酸纤维素、以各类硝酸酯增塑剂代替单一的硝化甘油。