閱兵式上的導(dǎo)彈是模型?且談導(dǎo)彈發(fā)動機燃料的發(fā)展歷程
2019年注定是不平凡的一年。在即將送別2019的年末,我們回望2019給我們帶來的諸多驚喜之時,絕對忘不了震撼的2019年建國70周年大閱兵,以及2019年12月底的長征五號復(fù)飛。

建國70周年大閱兵上,導(dǎo)彈方隊攜DF-17,CJ-100,DF-41三款全新的導(dǎo)彈壓軸登場。在令我們?nèi)袊鴥号又畷r,少數(shù)的反華分子仍然譏諷為“模型”,“一切都是大陸的謊言”等等,當(dāng)然對此污蔑言論,我們大可不當(dāng)回事。但是,有一句他們確實是沒說錯,展出的導(dǎo)彈,確實不是能夠發(fā)射的實彈,而是等比例模型。
談到這里,我們就要思考一下,為什么不會把真的實彈帶到閱兵中了。
導(dǎo)彈,是一種能夠自主導(dǎo)航,并消滅敵對目標(biāo)的武器,除了最新的反導(dǎo)動能攔截器和美國用于反恐的“忍者”飛刀導(dǎo)彈外,所有的導(dǎo)彈都是以爆炸沖擊波殺傷敵軍的武器。因此,威力強大的導(dǎo)彈,必然有威力強大的彈頭,乃至于核彈頭,在非作戰(zhàn)時刻,把巨大的實彈帶到密集的人群中,顯然是極為不安全的——這可能是大部分人對于不帶實彈的解釋。不過,我們這里要提的是,對于導(dǎo)彈而言,往往彈頭在地面上是裝有保險的,基本上不會起爆。而最為危險的,也是大部分人忽視的,就是導(dǎo)彈賴以飛行的高能推進劑。
現(xiàn)在,就讓我們從歷史來回顧一下導(dǎo)彈/火箭的推進劑發(fā)展歷史。


說起導(dǎo)彈,我們就不得不回到1944年那個戰(zhàn)火紛飛的歲月。由于戰(zhàn)場上節(jié)節(jié)敗退,德軍損失慘重,為了做出力所能及的反擊,德國人發(fā)明出了一種新式武器——導(dǎo)彈。德國人投入使用的導(dǎo)彈主要有兩種,第一是V-1導(dǎo)彈,它開創(chuàng)了后來的飛航式導(dǎo)彈的先河;第二就是V-2導(dǎo)彈,開創(chuàng)了垂直起飛的彈道導(dǎo)彈和運載火箭的先河。由于德國戰(zhàn)敗后,科學(xué)家流散到美蘇,因此導(dǎo)彈技術(shù)也擴散到了世界之中,并隨著冷戰(zhàn)而日趨強大。
在二戰(zhàn)中,德國人首先發(fā)現(xiàn),固體燃料對于小型火箭/導(dǎo)彈尚可,對于大型導(dǎo)彈來說,固體燃料的生產(chǎn)制造難度較大,因此,他們在V-1,V-2導(dǎo)彈都采用了液體燃料。V-1導(dǎo)彈由于采用脈沖噴氣式發(fā)動機,燃料和ME262基本一致;V-2導(dǎo)彈作為泵壓式液體燃料引擎導(dǎo)彈,使用了液氧和酒精為燃料,過氧化氫為渦輪泵動力的組合。因此,戰(zhàn)后第一代導(dǎo)彈,基本上沿用著這個思路。后來,人們發(fā)現(xiàn)酒精的熱值很低,不適合作為高能燃料,故很快過度到了液氧煤油發(fā)動機。


液氧煤油組合推力比起液氧酒精大出了很多,世界上推力最大的美國土星五號的F-1發(fā)動機和能源火箭的RD-170發(fā)動機,都是液氧煤油發(fā)動機,單機推力可達700-750噸。長征5號以后的國產(chǎn)運載火箭,也大量采用液氧煤油發(fā)動機。不過,看過前兩天長征五號直播的觀眾們都會注意到,由于采用低溫燃料,火箭的外殼經(jīng)常有一股白色的冷氣——這是液氧和液氫使得周邊水汽冷凝的景象。因此,如果想在導(dǎo)彈使用這種燃料,就必須給它隨時配備一個制冷機,保持燃料艙內(nèi)的液氧的液態(tài)——畢竟誰也不能臨戰(zhàn)磨槍,在打起仗再給導(dǎo)彈加注燃料,那樣就太晚了。因此, 在液氧煤油發(fā)動機出現(xiàn)不久,各國就開始思考如何解決燃料的儲存問題,因此之后出現(xiàn)了兩個比較大的流派。

可儲存液體燃料流派:
這是基于液體燃料發(fā)動機理論下的發(fā)展。其思路在于:保持液體燃料發(fā)動機容易調(diào)整推力,容易控制發(fā)動機啟動/關(guān)閉的特點,讓燃料具備可以無需冷卻,長期貯存在彈體內(nèi)的條件。這樣一來,就需要一種能夠在常溫下達到強大氧化能力的氧化劑,和一種能量極大的液態(tài)推進劑。于是,各種組合被拿了出來。首先大家想到的是發(fā)煙硝酸,一種強烈的氧化劑。

發(fā)煙硝酸能夠把很多易燃物直接引燃,而且無需冷卻即可儲存在加裝防腐蝕材料的燃料罐里,因此最早的可儲存燃料就是發(fā)煙硝酸+煤油發(fā)動機,最典型的代表即為S-75/紅旗-1/2防空導(dǎo)彈。

由于硝酸煤油組合存在一些問題,為了進一步提升推力,1960年代起,美蘇中不約而同轉(zhuǎn)向了另一種經(jīng)典組合:偏二甲肼+四氧化二氮。

偏二甲肼和四氧化二氮在0-15度的儲存環(huán)境下均為液體,可以長期儲存在安裝有防腐蝕層的導(dǎo)彈之中。而且,這兩種化學(xué)物質(zhì)噴射混合后就會自燃,無需使用點火器,更加使得它點火可靠。蘇聯(lián)甚至進一步把它用于潛艇發(fā)射的潛射導(dǎo)彈之中。不過,偏二甲肼和四氧化二氮都是劇毒物,根據(jù)天宮二號的轉(zhuǎn)運紀(jì)錄片,押運偏二甲肼的押運員回憶,如果這種推進劑在一個大城市的火車站泄漏,可能導(dǎo)致數(shù)十萬人當(dāng)場死亡。而且,由于偏二甲肼和四氧化二氮混合后即可點火,這也導(dǎo)致它們在儲運中一旦泄露就會引發(fā)劇烈爆炸。

At 0514, the BCh-2 officer and the hold machinist/engineer in compartment IV (the forward missile compartment) discovered water dripping from under the plug of missile tube No. 6 (the third tube from the bow on the port side). During precompression of the plug, the drips turned into a stream. The BCh-2 officer reported water in missile tube No. 6, and at 0525, the captain ordered an ascent to a safe depth (46 meters) while a pump was started in an attempt to dry out missile tube No. 6. At 0532, brown clouds of oxidant began issuing from under the missile-tube plug, and the BCh-2 officer declared an accident alert in the compartment and reported the situation to the GKP (main control post). Although personnel assigned to other compartments left the space, nine people remained in compartment IV. The captain declared an accident alert. It took the crew no more than one minute to carry out initial damage control measures, which included hermetically sealing all compartments. Five minutes later, at 0538, an explosion occurred in missile tube No. 6
根據(jù)維基百科引用的俄羅斯解密的事故報告,1986年10月3日凌晨五點半(蘇聯(lián)潛艇采用莫斯科時間),潛艇正在水下靜音巡航,突然,導(dǎo)彈艙報告第6導(dǎo)彈井發(fā)現(xiàn)了異常的壓力升高,艦長和武器官正確判斷是導(dǎo)彈發(fā)射管進水導(dǎo)致燃料艙腐蝕引發(fā)的液體燃料泄漏,便浮到46米,啟動水泵抽水,但由于腐蝕面積較大,泄漏控制不住,艦長疏散了大部分第四艙(導(dǎo)彈艙)的水手,只留下9人繼續(xù)搶修,最終仍無力回天,5分鐘后,導(dǎo)彈泄漏的偏二甲肼和四氧化二氮接觸引發(fā)劇烈爆炸,核彈頭被炸成碎片拋入海中,潛艇雙殼體也被炸壞,艦體嚴(yán)重漏水,潛艇被迫浮出水面,由于反應(yīng)堆癱瘓,無法返回蘇聯(lián)港口,最終人員棄船,潛艇沉沒。
在大洋彼岸的美國,也發(fā)生過可儲存燃料的爆炸事件。


1980年9月18日,位于阿肯色州美國空軍(美國沒有戰(zhàn)略火箭軍,美國空軍負責(zé)陸地上的洲際導(dǎo)彈)374-7導(dǎo)彈發(fā)射復(fù)合體的一枚LGM-25泰坦式導(dǎo)彈突然發(fā)生爆炸。起因非常難以置信,僅僅是在維修中,一個工作人員失手跌落一個扳手,經(jīng)過發(fā)射井反彈后,砸中了幾十米下的導(dǎo)彈外殼。由于泰坦導(dǎo)彈為了提升干質(zhì)比,采用了非常薄的外殼設(shè)計(擎天神導(dǎo)彈甚至更加激進采用了充氣式儲箱,必須用高壓氣體才能維持它的外殼不至于坍塌),而經(jīng)過幾十米重力加速的扳手的動能也非常大,直接砸漏了導(dǎo)彈推進劑艙,引發(fā)肼50(和偏二甲肼都是聯(lián)氨族化合物)和四氧化二氮混合的大爆炸,核彈頭直接被炸飛到幾公里外,如果當(dāng)年這枚w53彈頭(900萬噸當(dāng)量,是國內(nèi)試爆的東風(fēng)5的彈頭的兩倍威力)被引爆,包括時任阿肯色州州長的比爾克林頓和希拉里克林頓的整個阿肯色州人都會當(dāng)場身亡(他們在50公里外的州府小石城),CNN報道了事故,但很快被美國軍方干預(yù)而被撤下。由此可見,可儲存燃料的安全風(fēng)險一向不低。

固體燃料流派:
幾乎就在可儲存燃料流派發(fā)展的同時,回歸萬戶火箭的嘗試——固體燃料導(dǎo)彈也開始發(fā)展了。最開始發(fā)展的固體燃料導(dǎo)彈都是小型的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈,如著名的AIM-9響尾蛇,早在1947年就開始使用固體燃料推進劑了。

固體燃料在小型導(dǎo)彈取得了成功后,便開始向著大型化發(fā)展。最開始的成果也是和核潛艇有關(guān)的,就是有名的UGM-27北極星導(dǎo)彈。


為了實現(xiàn)高投射能力,固體燃料導(dǎo)彈的固體燃料自然也需要高能材料。在1960年代的第一代固體燃料導(dǎo)彈中,廣泛采用HTPB推進劑,以****、黑索金、鋁粉作為主要能量物,以端羥基聚丁二烯(HTPB)為結(jié)構(gòu)材料(同時也作為燃料),在工作時,****發(fā)生劇烈分解反應(yīng),和RDX、鋁粉一起提供主要的熱能,同時燃燒HTPB藥柱本體,生成更多的高溫高壓氣體,推動導(dǎo)彈飛行。大家也看到了,除了HTPB為高分子化合物外,其他的主要成分——黑索金(RDX),鋁粉都是高能炸藥的組成部分,換句話說,必須用比TNT還要威力強大的炸藥,才能推進巨大的導(dǎo)彈飛行。而隨著科技進步,現(xiàn)代推進劑使用的炸藥也從RDX進化到了HMX(奧托克金),以至于CL-20(六硝基氮雜環(huán)異伍茲烷)。結(jié)構(gòu)材料變成了硝酸酯增塑的聚醚,就連增塑劑也進化到了疊氮增塑劑,可謂是從藥柱的結(jié)構(gòu)材料到添加劑都不惜一切提升能量密度,這種混合物的威力可達TNT的兩倍以上,未來還有八硝基立方烷等更高密度高能炸藥的加入,使得固體燃料的推力進一步增強。

當(dāng)然,固體燃料如此威力強大,其安全性也是非常需要重視的。根據(jù)2016年央視對大國工匠徐立平的報道:

? ? ? ?1987年參加工作時,徐立平在母親溫榮書的建議下,選擇了母親曾經(jīng)工作過的發(fā)動機藥面整形車間,為導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動機的火藥進行微整形。
固體燃料發(fā)動機是導(dǎo)彈裝備的心臟,在上千道制造工序中,發(fā)動機固體燃料微整形極為關(guān)鍵?;鹚幷卧谌澜缫惨恢笔莻€難題,無法完全用機器代替。在火藥上動刀,稍有不慎蹭出火花,就可能引起燃燒爆炸,這個極度危險的工作,全中國只有不到20個人可以勝任。
母親比任何人都知道這個工作的重要性和危險性,但她卻說:“我剛工作的時候有同事整個手指都燒掉了,都愿意到最危險的崗位上去,我想他們年輕人也是一樣的?!?/p>
就這樣,徐立平開始了自己近30年發(fā)動機藥面整形工作。
7416廠遠離西安市區(qū),安靜卻也偏僻。最冷和最熱的時候,廠房里都難熬。工作的時候必須敞開“生命通道”的大門,夏天還能靠電扇,但對毒力極強的蚊子毫無辦法,“聞了火藥的蚊子戰(zhàn)斗力就是強。”徐立平苦笑著,冬天更是沒辦法,長時間一個姿勢會讓凍僵的雙手麻木,只能放在暖氣上烤烤再重新拿起刀具。
更多的時候,工作時每個車間的人數(shù)最多不超過兩個人,戴上護具開始工作后,徐立平說感覺世界和時間都停止了,只聽見挖藥的沙沙聲和自己的心跳聲。
近30年來,徐立平就是這樣嚴(yán)格要求著自己,兢兢業(yè)業(yè),與最危險的火藥為伴,抬望航天夢,俯刻匠人心?!翱偫聿皇且舱f嗎,工匠精神就是做好自己的本質(zhì)工作,精益求精,其實沒那么多高大上的東西,”徐立平謙遜的說。
春節(jié)過后,徐立平獲得中央電視臺《感動中國》2015年度人物,頒獎詞這樣贊揚他:“每一次落刀,都能聽到自己的心跳。你在火藥上微雕,不能有毫發(fā)之差。這是千鈞所系的一發(fā),戰(zhàn)略導(dǎo)彈,載人航天,每一件大國利器,都離不開你。你是一介工匠,你是大國工匠。
由此可見,固體推進劑藥柱的加工尚且危險如此,那么在火箭的運輸、機動過程中,伴隨著大量的顛簸和磕碰,一丁點的火花都會造成火箭燃料的劇烈爆炸。因此,導(dǎo)彈運輸車都必須做好減震和避撞措施,避免導(dǎo)彈藥柱碰撞中爆炸。

所以,聽了這么多,大家應(yīng)該明白了,為了所有的人的安全和國家財產(chǎn)的安全,在大閱兵甚至和平時代的導(dǎo)彈兵操練中,都需要大量使用模型彈。模型彈的尺寸、重量甚至接口都和正常導(dǎo)彈一模一樣,以便日常安全使用,并節(jié)約實彈的高昂成本。
