固推小史

//反響甚大，看到這麼多人關注航天，我也很高興

/*評論中的觀點都看過了，主要集中在固推發展瓶頸在哪裡這個問題上面。這個問題也很難說是誰對誰錯，我也只是依照手頭參考資料的一種觀點，綜合一定的分析，提出來的。也希望讀者在閱讀的時候不光看到這篇文章，也務必配合底下一些推薦評論，綜合參考，綜合分析，讓自己的思考更加全面。*/

說到四大發明的火藥，有一部分人總是很遺憾的認為，我們的使用方法是錯誤的——歐洲人拿這個做強有力的火器，中國人拿這個做煙花。

當然這種想法從某種意義上當然是對的——畢竟我國的火器沒有趕上大發展大繁榮的時期，由於這種戰術裝備的落後，也間接導致了我們在近代被別人吊打。

但我們要看到另一面，在很長一段時間裡面，火箭的主要燃料，就是黑火藥。從某種意義上說，使用方法還不能算錯誤——煙花的推進部也算是固體火箭發動機的一種。

不信？那我們就來看看啊。

固體火箭發動機主要包括葯柱、燃燒室、噴管三個部分。

取一節竹子，挖空，一端用泥土封住，這就是燃燒室；塞好火藥壓實，這就是葯柱；最後在用泥土封口，掏個洞，就是噴嘴。

沒毛病，就這麼簡單。

之後做的所有工作都是將三個部分升級，以及添加新的模塊以滿足新的需求。

黑火藥的比沖一般在50-150s左右，相當感人。主要原因還是能量密度不夠。在相同的質量下，釋放的能量不高。

能量不夠是吧？那咱們上更高能的。只要發動機不炸，能量越高越好，就算你是炸藥我也燒給你看！//事實上一部分高能炸藥確實可以被添加作為加成劑，當然量不會太多的。

諾貝爾：我一個搞炸藥的，怎麼就做固體推進劑了呢？

眾科學家：我們已經討論過了，就用你的硝化甘油跟硝化棉了。

由硝化甘油跟硝化棉作為主要成分充分混合而成的固體火箭推進劑，從此正式進入了人們的視線中。由於它的主要由硝化甘油跟硝化棉組成，因此又名「雙基推進劑」，又名「雙基葯」。

這個東西好處可是很多的。

首先就是比沖高，上了200s（這當然不能跟液推比）。

首先雙基葯本身的能量密度就大，再加雙基葯由於本身具有一定的塑性，因此能在水壓機的作用下進行壓縮，形成一個十分緻密的葯柱。這更進一步提高了能量密度。

而且由於這個葯柱的性質十分穩定，貯藏也很方便，在要使用的時候只要拿出來，往發動機外殼（其實就是燃燒室）裡頭一塞，就完事兒了。真是一件相當輕鬆的事情。

更何況，這玩意兒便宜啊！硝化甘油在諾貝爾時代已經大發展大繁榮了，大家找到了這麼個便宜還能量高的東西，還要老掉牙的黑火藥幹啥？

於是固體火箭發動機得到了空前的發展。直到現在，在一些火箭上，還能看到雙基葯的身影。

葯柱有了，如何讓它合適的釋放能量，也就是成為讓人關注的問題了。

冬天燒爐子的時候，是煤球燒的旺呢，還是蜂窩煤燒的旺呢？

答案是顯然的。

燃燒的面積越大，釋放的能量越多。蜂窩煤的本質就相當於增大燃燒面積。

於是人們採取了多孔燃燒葯柱的方式，以期獲得大量能量。

大力出奇蹟！在一聲巨響中，發動機炸了。

由於短時間內釋放出大量的能量，燃燒室外殼需要承受高溫與高壓。金屬材料能承受住單一因素的影響，但是這兩個因素同時疊加，就相當的悲慘了——高溫將導致金屬強度嚴重下降，耐壓性能也跟著往下掉。而且呢，液體火箭發動機的燃燒室外面是有管路將燃料作為冷卻劑對其進行冷卻的，而固體火箭發動機，很遺憾，只能硬扛。

為了避免這種炸機這種悲劇的發生，人們就用最簡單粗暴的辦法——不就是加厚嗎，那我就加厚，不夠再加！

這就導致了整個固體火箭發動機需要將近一半的質量用在外殼上。這就嚴重拖累了發動機的效率——我們是要送有效載荷的，不是送個殼子的。

那麼為了抵消結構質量的拖累，我們就需要讓推進劑更強力，釋放更多的能量。

於是出現了死循環。

由於這種死循環的發生，在1945年前，固體火箭發動機幾乎是被認為沒有什麼前途的。至少，我們是不能指望用固體火箭發動機，去做導彈之類的搭載大質量載荷的載具的。

//這或許也就是當時德國大力發展液體火箭的原因——非不為也，乃不能也。

然而不久之後，固體火箭發動機居然又奇蹟般的煥發了第二春。

破局的關鍵就在於如何優雅地削減結構質量。

問：既然燃燒室外殼是要加厚的，那麼我們能不能利用藥柱的本身作為一層殼呢？

答：可以。只要讓燃料從中心開始燒起就可以了。

問：從中心開始燒的話，燃燒的面積不夠大，在不多開孔的情況下，怎麼做呢？

答：改變葯柱中空截面的面積就行了，通過改變截面的形狀（本質就是改變面積），還可以控制推力呢。

問：葯柱如果跟燃燒室壁面有空隙的話，在燃燒過程中，葯柱會不可避免的全部燃燒起來，還是起不了隔熱的作用啊，有什麼辦法解決呢？

答：我們可以不往裡頭塞藥柱，直接往發動機裡面澆鑄燃料。在真空澆築的情況下，燃料中的氣泡還能被趕出來，更加保證了燃料的燃燒質量。

澆鑄法+深內孔燃燒+變截面設計，一套組合拳，打得完美！

這一改革將發動機的外殼厚度大量削減（SerB：真不是我銼的），而且讓輕質材料（鈦合金甚至玻璃鋼）的使用成為了可能，從而將結構質量縮小到總質量的10%至20%左右。而且由於採用澆築法，讓燃料避開了水壓機體積的限制，人們可以設計出任意大小的葯柱，讓巨大型固推的製造成為了可能。

可以說，這種技術的成功應用，讓固體火箭發動機，真正的有了走向太空的實力。

在這之後，人們又不滿足於雙基葯的能量，為了追求更高的比沖，於是研製出了更加高能的燃料——高氯酸銨系燃料。而萬惡的資本主義為了將這部分能量更進一步的吃干榨凈，在添加增塑劑的同時，還往裡面添加鋁、鎂等活潑金屬，作為加成劑，以期增加能量密度。

於是比沖達到了驚人的250s。

這幾乎就是不那麼貴的固推所能做到的極限了。

短時間內釋放如此巨大的能量，讓固推獲得了巨大的推力。因此，它常常作為助推級使用，甚至直接就拉過來作第一級。而又由於它比沖小，在燃燒完全之後，整個火箭剛好越過了大氣層，讓液體發動機直接暴露在真空，從而更有效率地工作。

而且固推的燃料貯存實在是太方便了，平時注意防火防潮防BAKA（划去），要用的時候直接拿來用就行，免除加裝燃料的步驟，大大減少了準備時間。這對於要求快速反應的導彈以及衛星的應急發射，都是具有極其重要的意義的。

最最重要的一點是：便宜！

液體火箭發動機的成本大頭就在發動機上面，密密麻麻的管路，需要進行精密加工的構件，需要耐受極端環境的材料，哪個都不便宜。這也是SpaceX不管失敗多少次也要回收火箭的原因——這些全都是錢啊，更何況芯級足足有九台發動機！

而固體火箭發動機就不一樣了，外殼的本質就是一個大鐵罐子，加工簡單，還沒液體火箭發動機那麼嬌氣，這成本就是唰唰的往下走。更何況，還能回收利用——綁個降落傘落到海面上，撈起來，擦乾淨，探個傷，要補的地方補一下，就又可以用了。

正是因為這一點，全固推的火箭也得到了發展。不過也很明顯的是，這種火箭的級數也會較多（因為燃燒時間不長），LEO也不會太高的（因為越往上，固推越小，推力也越小）。比如我國的長征十一號，它就是四級、全固推，LEO 700kg，SSO僅有可憐的350kg，除了小衛星的發射以外，恐怕也是沒什麼能力發射常規衛星的。

於是呢，固體火箭發動機還是更多的用在助推方面。最著名的就是太空梭時代的SRB這種自重近600噸，最大推力近1400噸的怪物了（也就是題圖啦）。

美帝將在後年發射的SLS（太空發射系統），也將用兩個固推作為發動機，它的推力也將比太空梭的SRB更大。

而我國也將在不遠的將來用上固體助推器了，能看到用上固推的長6A，也是一件很讓人激動的事情呢！

つづく……

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