撼天动地！小火箭聊固体火箭发动机的材料

小火箭出品

本文作者：邢强博士

本文共7502字，49图。预计阅读时间：35分钟。

本文是小火箭固体火箭发动机技术系列文章第1季的完结篇。在本季的开篇《聊聊固体火箭发动机的推进剂》中，小火箭讲述了固体火箭发动机装药的发展史，分析了历史上的经典型号和现役型号的导弹与火箭的发动机配方，从黑火药讲到喀秋莎，从响尾蛇空对空导弹说到三叉戟潜射洲际弹道导弹，然后一直聊到白杨-M洲际弹道导弹。

上图为三叉戟潜射弹道导弹发射时，其第一级固体火箭喷射出的巨大火焰。

紧接着，小火箭在《民兵导弹：美国唯一在役的陆基战略核导弹》中，给出了美国民兵洲际弹道导弹从第一代到第三代的总体设计、弹道分析以及每一级固体火箭发动机的详细配方。

比如民兵I型洲际弹道导弹的第一级固体装药配方为：

70.5%的过氯酸铵+13.4%的聚丁二烯丙烯酸+环氧树脂+铝粉

到了民兵III型，其第一级固体装药配方升级为：

73.2%的过氯酸铵+15.6%的铝粉+9%的端羟基聚丁二烯+聚丁烯

我在详细计算民兵III型洲际弹道导弹的弹道的同时，对铝粉在固体火箭推进剂中的作用以及如何详细考虑大气作用和对反导拦截系统的突防策略方面有所涉及。

在本季第3篇《导弹的保质期有多长？》，我结合这些年的工程经历和计算结果，和大家探讨了导弹以及固体火箭发动机的寿命问题。重点分析了S-300防空反导导弹与民兵洲际弹道导弹的固体火箭发动机。

本文，小火箭要和大家一起聊的，是固体火箭发动机的壳体制造中的材料问题。

毕竟，详细了解了固体火箭发动机的配方以及设计原理之后，我们会自然而然地将目光转向工程化。也就是如何让我们在图纸上设计好的固体火箭发动机变为实实在在的型号和产品。

这其中，必不可少的善知识，就是材料了。

钢

第二次世界大战期间，大名鼎鼎的喀秋莎火箭炮使用的BM-13系列火箭弹的推进剂采用了无烟火药，或者更精确地说是硝化纤维推进剂。

硝化棉是一种纤维状的物质，很难做成固定形状的弹体装药，人们把粘稠的硝化甘油做增塑剂和硝化棉混合在一起便形成了双基推进剂。在很长一段时期内，双基推进剂都是固体火箭发动机的主要原料。

而喀秋莎火箭的壳体则是用的典型的钢铁材料。

长期以来，火箭炮采用的固体火箭发动机壳体以及火箭炮本身就是由钢铁制成的。

这也就给了人们一个深刻的印象：导弹与火箭的发射，就是钢与火的交融迸发出来的力量。

上图为俄罗斯TOS-1多管火箭炮进行协同发射时的场景。

D6AC钢

如果说导弹是战神阿瑞斯投出的长矛，那么是谁塑造了战神的臂膀？

如果说火箭承载的是夸父逐日的梦想，那么又是谁让夸父的双腿充满了能量？

现代科技让人们拥有了自远古以来便无比憧憬的一飞冲天的能力，这种能力的背后推动者是各式各样的火箭发动机，而这些发动机的背后则是那些燃烧了自己，以自身的烟消云散换取发动机巨大推力的推进剂。

而能够把推进剂容纳到身体里，同时给导弹赋予能够抵御因机动动作而产生的强大过载的，就是坚实可靠的壳体了。

很长一段时间以来，钢铁，都是导弹与火箭的外骨骼。

十余年来，小火箭计算和设计优化的弹道已经突破10万条，涉及到的战术战略导弹与固体运载火箭的基本型号和各种改型已经有上百种。

如果让我对固体火箭发动机的推进剂的性能做个总结的话，我可以根据十余年来的计算结果给出这样的量化的结论：

中程弹道导弹的固体推进剂的比冲每提高1秒，射程会增加70公里。对于洲际导弹而言，每1秒的比冲增量则可以增加100公里的射程。

如今，人类对固体火箭助推器的研究已经达到了一个比较高的水平了。想要进一步提高导弹或者运载火箭的性能，那就从材料和结构方面入手吧！

在上世纪60年代，AISI 4340合金钢再也无法满足工程师日益增长的对固体火箭发动机壳体性能近乎无理的极致追求了。

工程师们在AISI4130和4340钢的基础上，通过改变热处理工艺，采用淬火加低温回火，获得了回火马氏体组织，使钢的抗拉强度提高到了令人咋舌1600MPa以上。

钢材的强度和韧性等指标得到了突飞猛进的发展。于是，D6AC超强合金钢应运而生！

上图为采用D6AC超强合金钢作为固体火箭发动机壳体的潘兴弹道导弹。

早期的爱国者防空反导导弹也采用了D6AC超强合金结构钢作为发动机的壳体材料。

小火箭风格：

D6AC超强合金结构钢的成分：

铁 Fe+1.85%的镍 Ni+0.84%的铬 Cr+0.84%的锰 Mn+0.41%的碳 C +0.25%的钼 Mo+0.25%的硅 Si

D6AC超强合金结构钢的出现让固体火箭发动机的性能得到了大幅提高，同时也让很多人开始意识到：哈！导弹还能这么飞！

超高强度合金钢让肩扛式战术导弹的设计师不再过度拘泥于单兵能够肩扛的重量与导弹可用过载之间权衡。肩扛式导弹趁着这个机会来了一次飞速大发展。

图为1984年2月16日，一名美国海军陆战队队员正在向当时的泰国皇家空军元帅演示红眼睛肩扛式战术导弹的使用方法。

有关该导弹，小火箭会在今后的战术导弹系列中与大家详细讨论。

虽然D6AC超高强度合金结构钢主要用于固体火箭发动机的壳体，其研制初衷是让民兵、北极星这样的战略弹道导弹有更好的性能。但是，像F-111战术轰炸机这样的变后掠翼飞机也当然会对这种材料眼馋了。

F-111A变后掠翼轰炸机的两大关键部件都用了D6AC超强合金钢：一个是飞机的起落架，另外就是机翼变后掠机构中最关键的机翼主转轴。

航天飞机的固体助推器，是当年人类能够拿得出手的推力最强的固体火箭发动机。

而航天飞机固体助推器，这一对巨大的固体火箭发动机的壳体，也同样采用的是D6AC超强合金钢。

厉害了

1946年，一位漂亮的女孩子从卡内基梅隆大学毕业。像那个时代的大多数女孩子一样，她想要攻读医学博士学位，成为一名优秀的医生。

然而，攻读博士学位的花费是巨大的。为了挣学费，她来到一家名为杜邦的公司打零工。

让杜邦公司的员工们惊讶的是，这位临时工小姐姐对化学和材料学的悟性实在是太高了。

两年后，她已经凭借个人能力进入了公司的核心研发团队。当年，她当机立断，放弃了攻读医学博士学位的想法，正式入职，成为了杜邦公司的研究人员。

她的选择，从她个人成就方面来说，小火箭不好评价，因为我不知道如果她去学医的话，最终会为人类攻克哪种疾病做出贡献。但是，从人类工程技术史的角度来看，这位小姐姐当年的选择，对人类来说是有幸的！

因为，在她正式成为杜邦公司的员工的第9年，她发明了一种纤维。

纤维的名称，叫做：凯夫拉。

32岁的斯蒂芬妮·克沃勒克小姐姐，发明了当时人类能够实现量产的最强的材料：同等重量下，其抗拉强度是高强度钢的5倍！

如今，我们都知道了，凯夫拉纤维先是用于超级赛车的轮胎中，后来马上就用在了战场上。用凯夫拉纤维制成的防弹衣和头盔成为了现代单兵装备中必不可少的组成部分。

当年那位用9年时间发明了凯夫拉纤维的斯蒂芬妮·克沃勒克小姐姐，在32岁这个风华正茂的年龄，为人类工程界提供了优秀的材料。

小火箭觉得在这里值得一提的是，克沃勒克23岁的时候，毕业于卡内基梅隆大学。这所大学是钢铁大王卡内基先生捐资建造的。嗯，毕业于钢铁大王捐资成立的大学的一位姑娘，最终用自己的发明战胜了钢铁。

2014年6月18日，克沃勒克老太太去世，享年91岁。

小火箭看到上图，觉得老太太仿佛在说：奔赴战场的小伙子们啊，你们的命是我给的！

这是从伊拉克战场上被手雷袭击的一队士兵附近找到的凯夫拉防弹衣和头盔的部分残片。

这么好的材料，不用在洲际弹道导弹上的话是没天理的。

在《楞严经》里，如来说过：诸法所生，唯心所现，一切因果、世界、微尘，因心成体。

尘非常住，但是工程师对极致性能的追求，就必然造成这样的因果。

1972年，一种叫做和平卫士的洲际弹道导弹立项。

军方要求：这种弹道导弹必须能够将10枚核弹头发射到14000公里远的地方。

有关战略导弹的多弹头技术，详见小火箭的公号文章《战略导弹多弹头技术的由来与发展》。上图为和平卫士导弹在一次试射中释放的多枚弹头再入大气层时的场景。

小火箭在两年前曾经讲过战略导弹多弹头技术在有核国家之间进行攻防对抗过程中的必要性。

在这里，我对今年才开始关注小火箭公众号的好友补一点攻防对抗的结果吧：

在小火箭计算中心的核大国攻防对抗作战效能计算中，率先发起核打击的一方，会发射200枚携带多弹头的洲际弹道导弹。每枚导弹携带8枚真弹头和2枚诱饵弹头。

经过中段和末段拦截网之后，有1000枚真假核弹头被拦截，另有1000枚核弹头则得以突破防护网，打击到对方的核导弹发射井。

如果受打击一方在发射井内的核导弹数量为500枚的话，经过此轮打击，剩余的可发射的核导弹则只剩下25枚。

而这25枚洲际弹道核导弹是难以突破中段反导+末段反导的火力网的。实际上在北极上空就已经被17枚部署在阿拉斯加的陆基中段反导系统拦截掉了11枚。

攻击发起方的核导弹，还剩余300枚。

考虑到第二波次打击的目标是人口稠密的城市而不是核导弹发射井，因此其打击精度指标可以放宽，每枚核导弹可以放入10枚真弹头。

这样，第二波次会有3000枚核弹头来袭。每枚核弹头的当量为30万吨TNT，也就是每个分导核弹头的当量都相当于20枚广岛原子弹。总当量为6万枚广岛原子弹的核弹头将会倾泻在各个城市和军事基地。

（更具体的作战效能分析见小火箭之前的系列文章。）

这是来自1枚和平卫士洲际弹道导弹的多枚弹头命中夸贾林环礁目标时的场景。

通过小火箭计算中心给出的攻防对抗结果可以看出，这种多弹头弹道导弹，谁先用谁就占了绝对优势。按双方都只有500枚核导弹的模型来计算，受打击的一方发射井内的核导弹几乎团灭，难以形成有效的反击能力。（因此发展机动部署核武器和战略核潜艇是必要的。）

和平卫士弹道导弹的性能比较变态。这种导弹存在和部署本身就是一种挥之不去的恐怖核威胁。于是，在多国的强烈呼吁和斡旋之下，和平卫士导弹被强制退役。最后一枚和平卫士导弹在2005年9月19日除役。

人类工程师的洲际弹道导弹的性能是怎么能够从和平卫士洲际弹道导弹这里就突然得到飞升了的呢？

熟读小火箭之前文章的好友还记得，当年就连1枚导弹放3枚小弹头都极大地影响了导弹的射程和精度，怎么和平卫士导弹就能一下子投10枚呢？

其中一个非常重要的原因就是：和平卫士导弹的固体火箭发动机完全摒弃了D6AC超强合金钢壳体技术，并大胆地大量地应用了复合材料。

如果好友们有机会摸到一枚和平卫士导弹的话，可以用手或者小锤敲击一下她的第一级固体火箭发动机的壳体。我们会发现，这家伙并不会发出清脆的合金钢的叮叮声，而会是一种闷响。

和平卫士导弹的固体火箭发动机壳体是由上图那种凯夫拉纤维缠绕而成的。

具体来说，就是如今我们用于高性能缆绳的凯夫拉K-49纤维。

小火箭风格：

和平卫士洲际弹道导弹的固体火箭发动机的壳体是这样做的：

用凯夫拉K-49纤维与双酚A二缩水甘油醚型环氧树脂组成超级复合材料。

（有关这种环氧树脂，小火箭会专门写的。）

这种超级复合材料先制成52个高强度圆环，箍住固体药柱，然后再以螺旋状进行缠绕，里里外外会缠19层。

受一些说出来大家或许会欣喜若狂的原因的限制，小火箭在这里不能给出曾经计算过缠绕壳体的外形。只能说，长得有点儿像上图这样的。

10枚30万吨TNT当量的核弹头加上太空布撒上面级的重量为3.952吨。为了把将近4吨的载荷投掷到14000公里外，整枚导弹的起飞重量达到了恐怖的88.451吨。

为了托起这么重的导弹，而且还要让她快速飞出稠密大气层，第一级固体火箭发动机需要提供2.2兆牛的撼天动地的推力。第一级固体火箭发动机的壳体一定要非常结实才行。

那么你猜，第一级固体火箭发动机的壳体有多沉呢？

小火箭给出参考：按传统导弹与火箭总体设计的理论，导弹装药的重量会占90%左右。也就是说，留给导弹壳体、制导系统等部件的重量为总重的10%。

按和平卫士导弹88.451吨的重量，10%也就是8.8吨多一点儿。

对于一枚三级固体+一级上面级的导弹来说，第一级是最重的，无论怎样优化，其重量大多都在总重的60%以上。

也就是说，按传统设计，和平卫士弹道导弹的第一级壳体的重量可分得5.28吨。

而实际上，采用凯夫拉K-49纤维与双酚A二缩水甘油醚型环氧树脂缠绕而成的和平卫士导弹的第一级固体火箭发动机的壳体有多沉呢？

小火箭公布结果：701公斤。

嗯！只有传统设计的7.55分之一！

当然，考虑到复合材料只能持续耐受一定程度的高温，不如钢铁，而且洲际弹道导弹要在发射井里保持数十年之久（详见小火箭的公号文章《导弹的保质期有多长？》），和平卫士导弹的固体火箭发动机在复合材料外壳内，专门还有一层隔热层。

这个隔热层的材料本质来讲，是一种橡胶。

小火箭风格：

和平卫士洲际弹道导弹固体火箭发动机的隔热层用的主要材料是三元乙丙橡胶。

三元乙丙是乙烯、丙烯和非共轭二烯烃二烯烃的三元共聚物。二烯烃具有特殊的结构，只有两键之一的才能共聚，不饱和的双键主要是作为交链处。另一个不饱和的不会成为聚合物主链，只会成为边侧链。

三元乙丙的主要聚合物链是完全饱和的。这个特性使得三元乙丙可以抵抗热、光、和氧气的侵蚀，尤其对臭氧有很强的耐受能力。

当然，在隔热层里加点儿二氧化硅是必须的。这个就像炒菜要放盐，刷手机要看小火箭一样，是无须赘述，不证自明的（再次捂脸）。

航天飞机的固体助推器壳体采用复合材料后，可以让整个系统的起飞重量减轻26.41吨！

这是什么概念？

这可以让原本设计近地轨道运载能力为29吨的航天飞机的运载能力提升为31.1吨，增幅达7.2%。

三叉戟

曾经，一款叫做北极星的潜射弹道导弹让多弹头技术开始从设想走向工程实际。

上图是一枚陈列在伦敦的大英帝国战争博物馆的北极星潜射导弹。可以试着敲一下，感受一下经典的D6AC高强度合金结构钢。

但是，北极星弹道导弹的射程只有4600公里。这个指标在冷战巅峰时期，美苏双方的弹道导弹潜艇和攻击型潜艇经常在大洋中相互追逐嬉戏的时代，显得有些尴尬。

后来，有了海神潜射弹道导弹，但是腿还是不够长。

于是，新的关键指标来了：射程要超过7000公里！

这就是三叉戟潜射弹道导弹项目的来源。

研制三叉戟导弹的这个消息传到导弹设计人员的耳中时，他们并没有觉得该任务有多难。之前的潜射导弹是两级发动机，射程当然有限（海神导弹的射程也是4600公里），只需在导弹上增加一级发动机，把导弹的长度延长2米便能轻松地实现设计要求。

然而，紧接着到来的一个命令让他们犯了难：新研制的导弹的长度不能延长，哪怕是半米都不行。（潜艇研制部门不能及时更新换代潜艇，为了能让新的导弹在原来用于发射海神导弹的潜艇上服役，导弹尺寸不能有太大变化。）

射程要超过7000公里的硬指标使得增加第三级发动机成了必然选择。然而，导弹的总长度却又受到了限制。这相当于在一座已经盖好的二层小楼上加盖第三层楼房，然而又规定楼房的总高度不能有一点儿增加。

然而，这个难题没能难住设计人员。1977年1月18日，三叉戟导弹在美国卡纳维拉尔试射成功。射程妥妥的实现了超过7000公里的要求：实际射程7400公里。

有关三叉戟导弹的其他设计细节，详见小火箭的公号文章《三叉戟：美国和英国唯一的海基核武器》。

技术人员正在检修三叉戟导弹，左侧较大的是三叉戟D5型，右边那个小一些的是三叉戟C4，她们都顶着减阻杆。这根杆平时实际上是收在弹头中的。

这是我计算的某型与三叉戟潜射弹道导弹非常类似的潜射弹道导弹的流场。可以看到减阻杆强大的减阻效果。我设计了6种不同的杆-盘结构，这是我个人比较满意的一种。

从设计到建模，再到最后完成流场计算和结构校核，用时3个月。但是，能够看到这样的斜激波，了解到飞行器在高速飞行状态下与空气的交互状态，能够和大家一起交流，一切都值了。

工程师把第三级发动机藏在了弹头里面。让8个分导式的子弹头围绕着第三级发动机排布。

我在这里重提三叉戟潜射导弹，主要是为了引出这固体火箭发动机壳体材料的第三个时代：碳纤维时代。

文章比较长，读到这里，好友们可能会忘记之前的一些关键数据了。

小火箭在这里稍微总结一下：

超高强度合金结构钢D6AC的抗拉强度为：1600MPa；

凯夫拉纤维K-49与环氧树脂组合的抗拉强度为：3500MPa。

而三叉戟潜射洲际弹道导弹的一级和二级固体火箭发动机所用的IM-7碳纤维复合材料的抗拉强度为：5379MPa！

新时代

IM-7碳纤维在洲际弹道导弹上得到了广泛应用。

侏儒洲际弹道导弹的第一级、第二级和第三级的固体火箭发动机的壳体都是由IM-7碳纤维缠绕而成的。

碳纤维的加入，让固体火箭发动机的新时代到来了。

另外，复合材料耐高温的问题得到了一定程度的解决。此时，已经到了上世纪90年代，导弹和火箭的固体火箭发动机上面的复合材料，大部分可以在240℃的环境中持续忍受3个小时而依然保留80%的力学性能。

就在美国工程师准备把IM-7、IM-8、IM-9等碳纤维复合材料形成系列，在国际固体火箭发动机缠绕壳体市场上形成优势地位时，日本一家叫做东丽株式会社的集团出现了。

东丽的T-800碳纤维的抗拉强度为5490MPa，

超过了美国IM-7碳纤维的5379MPa。

T-800，与终结者里的T-800重名了呢！

新时代的我们，在日常生活中能够接触到的新材料已经不再像过去那样与军用顶级材料有代差了。

比如，高端自行车玩家会去购买碳纤维自行车车架。这种车架所用的材料T-800的性能已经超过了大部分在役的导弹的固体火箭发动机的缠绕材料。

爱国者的新款PAC-3拦截弹，其固体火箭发动机的缠绕材料与T-800的性能在一个量级。

然后，又有了T-1000。

法国织女星运载火箭，这款三级固体运载火箭的发动机，是目前小火箭已知的缠绕碳纤维材料中，指标最高的。

在小火箭与法国工程师同行的交流中， 了解到了一些该火箭的设计细节。有关这款火箭，我会专门写一个系列。上图为点火测试后的一台法国火箭发动机。

织女星运载火箭的三级固发都采用了T-1000G碳纤维！

T-1000G的抗拉强度为6370MPa，是我知道的，在导弹和火箭设计过程中能够想到的复合材料中，唯一一款抗拉强度超过6GPa的。

有时想一想，在我们这个时代，我们手里能够用到的材料已经是上世纪60年代中期的前辈们手里的D6AC超强合金钢的强度的4倍了！而我们手中的能用的，像小火箭计算中心这样的算力更是前辈的很多倍。

在这样的新时代，如果不能诞生传奇的飞行器，是有愧的。

一起努力吧！

另外，有些人会问到中国的情况。中国的复合材料起步不算晚，但是涉及到洲际弹道导弹的部分，暂且不提。只说一款飞机吧！

上世纪60年代，我国的强-5攻击机研制成功。而在上世纪70年代，我国工程师就已经尝试用复合材料来生产强-5的进气道侧壁了。

而说起我国的固体火箭发动机的话，实际上，早在风云二号气象卫星上，中国就已经大量应用复合材料了。这颗卫星的远地点发动机是神奇的固体火箭发动机，而且发动机壳体是用玻璃纤维缠绕而成的。

版权声明：

本文是邢强博士原创文章，属小火箭悦读系列。网易新闻·网易号各有态度特色内容。欢迎朋友圈转发。

微信号：小火箭

ID：ixiaohuojian

欢迎 加入小火箭 ，进入航空航天大家庭！

恳请编辑老师保留↑

未经允许不得转载：头号研究社-海外苹果ID购买注册|海外苹果礼品卡及Arcade订阅|海外账号购买、教程 » 撼天动地！小火箭聊固体火箭发动机的材料