日本固体火箭遭遇失败,未能将卫星送入轨道。其实固体燃料并不非常适合用在航天发射上,这种材料一开始主要是为了解决弹道导弹的使用需求,而且加工并不简单。

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【艾普斯龙小型固体火箭6号机点火起飞瞬间】

日本艾普斯龙小型固体火箭6号机发射失败,虽然前期点火升空还算顺利,但最终没能进入轨道,携带的8颗微小卫星也一同打了水漂。

这枚火箭此前曾被国内高度关注过,因为它特殊在使用的固体燃料。这其实是比较敏感的一项技术,因为五个常任理事国的大多数洲际导弹,都是固体燃料火箭。

首先要说说,液体、固体燃料的大致研发过程,以及为什么要研制固体燃料,有什么优缺点。

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【中国万户冒险的传说,确实是用的固体火箭发动机,人类的进步都是在冒险中取得的,只不过有些人成功了,有些人不幸失败了】

半玩笑的来说的话,火箭最早的燃料还真就是“固体燃料”,类似窜天猴这类烟花,使用的黑火药也算固体燃料,自带氧化还原剂。当然,真正的导弹或者火箭,不会这么干,因为黑火药的燃烧速度并不高,能量少,比冲较低,别说火箭,连步枪这种低端武器都看不上,在新时代很快就被硝化棉一类的高能材料代替了,子弹速度也因此有了极大的提升。

也正是因此,早期成熟的导弹,类似德国的V-2,使用的都是液体燃料,比如酒精和液氧。除了燃料含能量高,比冲大之外,液体燃料也方便早期火箭发动机使用,只需要管道就能将燃料输送到各处,可以通过控制燃料供应控制推力。看上去折腾又复杂的液体燃料,其实在可行性上有着更高的优势。

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【现代液体火箭发动机为了尽量提升性能,管路越发复杂】

早期的液体燃料火箭随着不断迭代,也推动了相关发动机和燃料的升级。燃料的能量密度节节攀升,发动机的推力也就越来越大。燃料虽然含能高了,也带来了很多问题,比如类似括硝酸与烃类、四氧化二氮与偏二甲肼这样的液体燃料组合,推力大比冲高,但是燃料有剧毒,而且腐蚀性很强。火箭上用还问题不大,但军用导弹上就显得非常麻烦。

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【液体火箭的本质是摞在一起的一堆燃料罐,需要灌装大量燃料,耗时动辄数小时。旁边的固体火箭助推器则非常省事,加工后随时可以使用】

因为腐蚀性高,精密的洲际导弹就无法长期储存这些燃料,毕竟火箭有发射时间表,导弹可是不一定何时会投入使用。早期的液体燃料洲际导弹只能在发射前临时加注,不但因为耗时降低了响应速度,也容易暴露目标。燃料加注后只能勉强维持几个小时,必须尽快将导弹或火箭发射出去。如果遇到意外情况取消发射,则必须再将燃料尽快抽出,过程又耗时又危险。当然现在随着新材料的开发,可以允许腐蚀性燃料在火箭里多储存一些时间,可以达到几天甚至是几个月,但也不是非常方便。

剧毒的液体燃料还有个问题,就是这东西储存太麻烦了。陆上发射基地还好说,空间足够,但是战略核潜艇上怎么办?封闭的潜艇里装载这么多剧毒危险的高爆液体和洲际导弹,发射前还需要临时加注,让本身在深海航行就充满危险的潜艇部队压力剧增。

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【战略核潜艇本来空间就紧张,携带液体燃料会更复杂,潜艇排水量直接跟造价挂钩】

正是由于响应速度慢,比较危险,不容易维护管理,辅助设备庞大复杂,于是就需要找一种新型的推进剂弥补这些缺点。

推进剂,本质就是氧化物和还原物,但是火箭上使用的必然是高能量密度,高比冲的配方,燃烧必须非常猛烈,有些科学家称这种材料的燃烧过程为“可控爆炸”,也就是只比炸药直接爆炸弱那么一点点,其研制的困难性也就可见一斑。但最终,五六十年代的美国人,搞出了一款比较成熟的推进剂配方,使用高氯酸铵搭配一些铝粉和橡胶类的燃料,可以产生较大的推力。顺带一提,高氯酸铵其实就是造炸药的原料。

固体燃料的优势从此一下就体现出来了,一方面这种物质保质期长,封装后就可以稳定长期储存,十几年都不用管。而且这些材料相对比较皮实,一般的震荡不会引发爆炸,用在哪里都挺安全,解决了战略核潜艇的后顾之忧。固体火箭发动机使用也简单,随时可以点火,还能点火后不管,属于烧完为止的粗暴设计,因此也不需要液体燃料发动机那么复杂的管线、燃料泵和控制系统,这方面的成本就能节省下来,非常适合军用。

因此,固体燃料火箭技术,其实是相当敏感的技术。日本航天工业虽然得到了西方的大力帮助,研制出了H-2A大型液体燃料火箭,尺寸和重量已经接近中国长征五号;但是日本在固体火箭方面,核心技术受到了美国的严格限制。

日本最早期的L系列火箭,比如L-4S,就是一种拼凑出来的四级固体火箭,1970年成功发射了日本第一颗人造卫星“大隅号”。如果把卫星换成核弹头,这就是一枚远程核导弹。

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【固体火箭发动机没有液体火箭那么多的部件,整体上相对比较简单】

于是现在的一般导弹基本都是使用固体燃料,洲际导弹绝大多数也都用固体火箭发动机。之所以没有完全取代液体燃料,是因为固体燃料有一个最大的弊端,那就是相对比较弱。

即便是不断改进配方,固体燃料的能量密度还是比液体燃料差一大截,而洲际导弹对载荷重量是特别敏感的,多带一公斤,射程可能就会差上百公里。这就导致同样大小的导弹,液体燃料可以携带更多或更大的弹头,所以俄罗斯或中国的某些洲际导弹,以及绝大多数的运载火箭,考虑到最大载荷量的问题,还是使用液体燃料。

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【固体火箭发动机,推力基本上与直径直接相关,越大越难做】

固体燃料和液体燃料,其实各有自己的优缺点,没有最好,只有最合适,要看具体需求去选择。

虽然不需要使用复杂的液体火箭发动机,但固体燃料的生产制造,也不是那么容易。固体燃料火箭,是一锤子买卖,点火之后就没有回头箭。而且固体燃料属于火工品,火工品就意味着不能像其他发动机,必要时甚至可以启动测试一下,因此品控问题就尤为困难,对加工水平,加工管理要求极高。

我国曾经报道过航天科技集团的徐立平师傅,他就是从事航天发动机燃料微整形工作,对固体燃料修型的加工误差,不超过0.2毫米。固体燃料的形状,决定了燃烧时的状态,决定了推力是否达标能否稳定。

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【大国工匠徐立平正在为固体燃料修型】

80年代末,某重点型号的药柱出现裂纹,徐师傅带队前去修补,当时的固体燃料有毒,一个人一次只能工作10分钟,徐师傅为了不耽误研制,每次都主动超时工作,最后经过2个月的修复,成功排除故障,但徐师傅却因为超时工作时间太长,中毒导致两腿失去知觉,后经过治疗才逐渐康复。

此外,固体燃料很容易燃烧,沾火就着,每次工作可以说都是与死神博弈。2001年,一位操作人员,只因刀具碰到壳体引发燃烧,牺牲在了岗位上。

从中可以看到,固体火箭发动机研制生产,是很困难很危险的。

也正是因此,徐师傅为了提高生产效率,降低危险,开发出一系列的新型工具,极大提高了产品生产质量和生产效率,降低了危险性,被评为时代楷模。

想要快速生产可靠又精确的固体火箭发动机,需要相当的技术实力和过硬的资深工人队伍,需要一批有数十年工作经验的大国工匠。这种软实力,需要长时间的积淀,并不是随便一个国家看看技术资料后,就能掌握的。

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【徐师傅很对工作优化的这些工具,看似简单,实际上都是数十年与死神打交道的经验结晶,能高效定量的解决生产问题,确保产品生产质量和生产速度】

因此,尽管这次火箭发射失败,但是日本固体火箭技术积累比较深,不能被小看。虽然日本航天发展路线上,受制于很多因素,存在偏科现象,但是一旦放开了枷锁,日本航天工业可以迅速造出多种远程弹道导弹。