二十年來的遠程火箭

何慶芝

近代武器行列里的“新兵”——遠程彈道火箭，二十余年來，以躍進的速度向前發(fā)展，至今已經(jīng)在發(fā)動機、殼體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)三個方面獲得了長足的進步，但從技術(shù)上講，距離“完善”、“成熟”還很遠。……

遠程彈道火箭是在第二次世界大戰(zhàn)期間誕生的。從1942年10月第一個遠程彈道火箭《V－2》發(fā)射成功到現(xiàn)在，也不過二十幾年。所以，在近代武器行列里，遠程彈道火箭還是一個新兵。

二十幾年來，科學工作者和工程師們，主要從三個方面不斷提高火箭的性能：第一方面，改進火箭的動力裝置——火箭發(fā)動機；第二方面，改進火箭的結(jié)構(gòu)設(shè)計；第三方面，提高控制系統(tǒng)的準確度。到今天，火箭作為一種武器，它的射程已經(jīng)可以超過一萬公里；作為宇宙飛行器的運載工具，已經(jīng)可以把數(shù)千公斤的飛船送上衛(wèi)星軌道，或把上千公斤的行星際站送上圍繞太陽運行的軌道。

下面我們就從這三個方面，談一談二十年間火箭技術(shù)的發(fā)展道路。

加強了火箭的“心臟”——發(fā)動機

火箭發(fā)動機是彈道火箭的心臟。火箭的主要性能，像射程的遠近和有效載荷的重量等等，都和發(fā)動機的性能有著最密切的關(guān)系。在改進發(fā)動機方面，人們奮斗的主要目標，是提高發(fā)動機的比推力和總推力，同時也力圖降低發(fā)動機的結(jié)構(gòu)重量和制造成本。發(fā)動機的比推力，是指每秒鐘燃燒一公斤推進劑*時，發(fā)動機所能產(chǎn)生的推力，這個數(shù)值希望越大越好。提高比推力大致有三條途徑：第一，采用高能推進劑；第二，加大燃燒室的壓力；第三，改進推力室(包括燃燒室、噴嘴、噴管等等)的構(gòu)造設(shè)計。在這三條途徑中，都有一系列需要作出很大努力才能克服的困難。例如，為了采用新的推進劑，例如采用煤油加液氧或液氫加液氧等，首先要掌握它們在燃燒室中燃燒的規(guī)律，找出推進劑穩(wěn)定燃燒*的條件，也就是要弄清楚穩(wěn)定燃燒和推進劑特性、燃燒室構(gòu)造特點以及輸送系統(tǒng)之間的關(guān)系。由于這個問題非常復雜，所以直到如今在理論上還沒有完全解決，還在繼續(xù)進行著大量的有關(guān)燃燒穩(wěn)定性方面的理論研究和實驗工作。目前在實際設(shè)計一臺發(fā)動機時，還要依靠大量的試驗結(jié)果，才能判定設(shè)計的合理性。又如，提高燃燒室壓力雖然在一定范圍內(nèi)可以提高發(fā)動機的比推力，但是也引起一些新問題：燃燒室壓力高了，燃氣溫度也增高，燃氣傳給推力室殼體的熱量也隨之增加，殼體的溫度因而上升。由于殼體溫度升高又會降低殼體承受載荷的能力，這些都促使設(shè)計師必須采用新的構(gòu)造形式和冷卻方法。

為了增大發(fā)動機的總推力，需要加大發(fā)動機的尺寸。但是由于燃燒室內(nèi)燃燒現(xiàn)象的規(guī)律還沒有完全掌握，所以目前盡管有了小推力發(fā)動機設(shè)計制造成功的經(jīng)驗，卻并不能完全依此根據(jù)“相似的規(guī)律”進行大型發(fā)動機的設(shè)計工作。這里還需要進行艱巨復雜的理論研究和實驗研究工作。

遠程火箭發(fā)射時的情況

經(jīng)過了二十年，特別是最近幾年的努力，火箭發(fā)動機比之二十年前已經(jīng)有了飛躍的進步：單個推力室發(fā)動機的總推力從25噸左右提高到100噸以上，比推力從210秒左右提高到300秒左右(比推力隨著高度不同而不同，在地面時稱海平面比推力，在真空時稱真空比推力，這里指的是海平面比推力)；發(fā)動機的結(jié)構(gòu)重量從每噸推力重30公斤降低到10公斤左右；發(fā)動機的結(jié)構(gòu)也不斷推陳出新，越來越適應(yīng)于火箭提出的要求。

火箭的結(jié)構(gòu)有了重大改進

二十多年來，在火箭殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，獲得了四個重要成就：一是可分離頭部的采用；二是出現(xiàn)了受力式推進劑箱；三是重返大氣層彈頭防熱構(gòu)造的成功；四是多級火箭的實現(xiàn)。此外，在發(fā)展過程中，還不斷采用了新材料和新工藝方法。

早期的火箭，彈頭和主體連成一體，固不可分?？煞蛛x頭部大約是在五十年代初期才采用的。由于采用了這種構(gòu)造，頭部和火箭主體在發(fā)動機關(guān)車后就相互分離，分離以后，火箭主體運載彈頭的任務(wù)就算完成了，以后破壞與否，已經(jīng)無關(guān)緊要。所以火箭主體就不必考慮在重返大氣層時的表面高溫和嚴重的受載情況，只要按照主動段*的受載情況設(shè)計就可以了。由于火箭在主動段飛行時受熱和受力都比被動段小得多，所以火箭主體的結(jié)構(gòu)重量(不包括彈頭、推進劑的重量)可以大大減輕，有效地提高了火箭的射程。

在火箭發(fā)展的初期，由于多方面繼承了飛機構(gòu)造的特點，所以許多構(gòu)造在以后看來并不盡合理?！禫－2》火箭的推進劑箱就是一個例子。這個推進劑箱是一個薄壁圓筒形結(jié)構(gòu)，只作為裝推進劑的容器。同時，為了承受火箭在飛行中所受的外力，并使火箭具有光滑的外形，在外面又另罩上了一層加強的圓筒形外殼，這種推進劑箱是不參加火箭總體受力的，被稱為懸掛式推進劑箱。在以后的發(fā)展中，取消了外面這層在結(jié)構(gòu)上不必要的加強殼，把盛裝推進劑的容器外表面與火箭主體的外表面合而為一，稱之為受力式推進劑箱(見下頁圖)。后來又創(chuàng)造了在箱體內(nèi)部充氣，以便維持火箭外表面形狀的“球膽”式結(jié)構(gòu)，像現(xiàn)在美國《阿特拉斯》火箭就是采用這種結(jié)構(gòu)的。這些構(gòu)造形式的發(fā)展，使火箭結(jié)構(gòu)重量顯著降低。例如早期火箭結(jié)構(gòu)重量在火箭總重量里(不包括彈頭)所占的比重約為25%，目前已降低到8%左右。

火箭頭部重返大氣層的防熱問題，是火箭射程不斷增大中所遇到的最嚴重的問題之一，像洲際火箭的彈頭從高空返回大氣層時，速度在每秒七公里以上，彈頭與空氣摩擦，使緊靠彈頭外表面的空氣溫度高達七八千度，為了使高速度進入稠密大氣層的頭部不致被高溫燒毀，人們從頭部外形、構(gòu)造形式、防護材料和耐高溫材料等方面作了很多工作。目前在遠程火箭上廣泛采用的“燒蝕式”(或稱消融式)頭部，已經(jīng)基本上解決了這個問題。不過近幾年來在燒蝕理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計和燒蝕材料性能的研究方面，還在進行著大量的工作。

發(fā)動機性能的提高和火箭結(jié)構(gòu)重量的減輕都有一定的限度，所以單級火箭不能滿足進一步提高射程和發(fā)射宇宙飛行器的要求，多級火箭便應(yīng)運而生了。

盡管目前所用的多級火箭大多數(shù)是用比較成熟的單級火箭組成的，可是在發(fā)展過程中也要解決很多技術(shù)問題，象多級火箭的組合型式，級間的連接和分離，發(fā)動機的高空點火，火箭的控制等等。

“大腦”的準確度提高了

控制系統(tǒng)是火箭的大腦?；鸺心繕说臏蚀_度，或者運載火箭把宇宙飛行器送入軌道的準確度，都和控制系統(tǒng)有著密切的關(guān)系。最初彈道火箭上廣泛采用慣性系統(tǒng)*，后來，由于控制準確度要求的不斷提高，又趨向于采用無線電系統(tǒng)*。由于近代電子管和計算技術(shù)的進展，由于小型超小型電子管特別是半導體的制成，由于最近幾年來電子儀器新裝配技術(shù)的發(fā)展，無線電控制系統(tǒng)已經(jīng)做得愈來愈輕巧，可靠性和準確度也愈來愈高了。例如，目前射程在10，000公里左右的彈道火箭的射程偏差，已經(jīng)可以保證在兩三公里以內(nèi)，很多宇宙飛行器被準確地送上了軌道。這都和火箭采用了無線電控制系統(tǒng)分不開的。

V－2火箭構(gòu)造示意圖1－推力室2－渦輪泵3－液氧貯箱4－酒精貯箱5－控制儀器6－頭部

最近幾年來，在慣性控制系統(tǒng)方面也有了極大的進展，由于陀螺、加速計和其他元件的精確度不斷提高，重量不斷減輕，據(jù)說已經(jīng)使得慣性系統(tǒng)的準確度接近無線電控制系統(tǒng)的準確度了。在這方面目前正在進行著大量有關(guān)陀螺，特別是新型陀螺結(jié)構(gòu)的研究工作，以便使慣性系統(tǒng)有可能滿足宇宙航行的要求。

離開“完善”、“成熟”還很遠

作為一種武器，目前就彈道火箭的射程、彈頭的重量和命中準確度而言，都差不多已經(jīng)可以滿足戰(zhàn)術(shù)要求。但是總的說來，目前的火箭技術(shù)還有很多尚待克服的缺點，其中主要的是：成本太高；低溫液體推進劑使用不方便；火箭的尺寸龐大，使用不方便，機動性差；發(fā)射場地暴露在地上，戰(zhàn)時易于為敵方所摧毀；火箭系統(tǒng)的可靠性還不夠高等等。

為了解決上述各問題，近年來在以下幾方面做了很多工作。

一、研究用可貯存的液體燃料代替低溫的氧化劑。例如有些火箭原來用液氧加煤油作推進劑，現(xiàn)在已經(jīng)用可以長期貯存的四氧化二氮和偏二甲肼與肼做推進劑了。

二、研究高能的固體燃料，并在其中加入輕金屬粉末，以提高比推力。由于固體燃料的性能不斷改進，固體藥柱工藝方法改善，近來已經(jīng)制成推力達三四百噸、工作時間一百秒以上的固體燃料火箭發(fā)動機。隨著發(fā)動機尺寸的增大，為了解決藥柱制造和運輸?shù)膯栴}，正在研究積木式藥柱和錐孔式藥柱。

固體燃料性能提高以后，燃氣溫度也隨著提高，可以超過攝氏叁千度。這就帶來了噴管的防熱問題，特別是發(fā)動機工作時間加長，這個問題就更為嚴重。目前正在研究用“燒蝕法”*來解決噴管的防熱問題，此外為了提高發(fā)動機的強度，降低結(jié)構(gòu)重量，還廣泛地采用了玻璃纖維絲纏繞式的燃燒室結(jié)構(gòu)，有些結(jié)構(gòu)的抗拉強度已經(jīng)達到了每平方毫米300公斤。

三、發(fā)展“固液式”發(fā)動機。固體燃料發(fā)動機的優(yōu)點是燃料密度高，使用方便；液體發(fā)動機的優(yōu)點是可以調(diào)節(jié)推力，比推力較高，又可以冷卻噴管。采用“固液式”發(fā)動機的目的，是要兼有二者的優(yōu)點。

四、固體燃料火箭的發(fā)展，為小型化和機動化提供了條件。近年來在艦艇上使用的火箭發(fā)動機發(fā)展很快。艦上發(fā)射不僅提高了機動性，而且減少發(fā)射點受敵方攻擊的可能性，并且還可以降低每發(fā)火箭的成本。

五、盡力提高火箭的可靠性?？煽啃缘膯栴}無論從軍用或從宇宙航行來看，都是不容忽視的。不可靠的武器，在戰(zhàn)爭史中是無用的武器；也不可能想像會有人愿意乘坐由不可靠的運載火箭所發(fā)射的宇宙飛船。

根據(jù)對火箭發(fā)射事故的分析表明；故障和事故的發(fā)生，約有80%來自控制系統(tǒng)和發(fā)動機系統(tǒng)。所以提高控制系統(tǒng)和發(fā)動機的可靠性，就有決定性的意義。除了通過地面的嚴格檢驗和試驗提高每個元件的可靠以外，更重要是簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，盡量減少其組成元件的數(shù)量。如果我們能把一個三級火箭完成的任務(wù)，改用二級火箭來完成，那么它的可靠性將會大為提高。

總之，二十余年來火箭技術(shù)雖然在以躍進的速度發(fā)展，但是距離“完善”、“成熟”還遠得很。只有經(jīng)過千千萬萬的科學技術(shù)工作者在各個領(lǐng)域內(nèi)不斷的努力，才有可能將這門技術(shù)推向更高峰。

受力式貯箱與懸掛式貯箱的比較

遠程火箭頭部可分離及命中準確度示意圖