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大推力固体火箭发动机技术,中国落后日本二十年!

2017-01-04 02:32:11

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楚人陈奇雄

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在大推力固体火箭发动机研制方面,中国起码比日本落后二十年。二十年前,日本成功发射了M-5三级全固体火箭,其第一级所用的固体火箭发动机M-14,推力超过300吨。而二十年后的今天,中国仍未研制出这种推力...

大推力固体火箭发动机技术,中国落后日本二十年!

在大推力固体火箭发动机研制方面,中国起码比日本落后二十年。二十年前,日本成功发射了M-5三级全固体火箭,其第一级所用的固体火箭发动机M-14,推力超过300吨。而二十年后的今天,中国仍未研制出这种推力级别的固体火箭发动机。

作者:楚人陈奇雄

世界各主要航天大国运载火箭所使用的发动机,主要有两大类,一类是液体推进剂发动机,一类是固体推进剂发动机。

要是我说中国的运载火箭发动机技术,整体上要比美国落后五十年,很多中国人听了后,会感到很不爽,但也不会有太大异议。因为他们明白,我说的是事实。

要是我说中国的运载火箭发动机技术,不但比不上美国与俄罗斯,甚至比不上日本时,估计很多中国人听了后,会气得脸红脖子粗。

他们会气愤地说:“你说中国的火箭发动机技术比日本还落后,有证据么?你是在瞎说吧,你是在胡扯吧,你是在造谣吧!”

我现在要说的是,在大推力运载火箭发动机研制方面,中国确实比日本落后。

中国与日本,均是航天大国。但在很长一段时间里,中国的运载火箭技术,要比日本落后。

(下为中国目前运力最大的长征-5号火箭)

大推力固体火箭发动机技术,中国落后日本二十年!

首先要说的是,在代表一个国家航天运载火箭技术水平的液氢/液氧发动机上,中国就比日本落后十至二十年。

如日本H-2A运载火箭,于2001年投入使用,其第一级使用的LE-7A发动机,是日本独立自主研制的液氢/液氧分级燃烧循环火箭发动机,其最大真空推力达112吨,其比冲更是达到冠绝全球的431.2秒,是全球范围内比冲最大的液氢/液氧发动机。

大家公认,日制LE-7A液氢/液氧发动机结构简单,软硬件先进,易于检测和维修,是世界上最先进的液体运载火箭发动机之一。

而直至2015年,中国的运载火箭,才用上了50吨推力的液氢/液氧发动机,这就是长征-6号火箭上的YF-77发动机,这是一种燃气发生器循环发动机,在技术上比分级燃烧循环发动机要低一个档次。

中国的这个YF-77发动机,也被用作长征-7号火箭与长征-5号火箭的芯一级发动机。

现在,我们再说中国目前最先进的YF-77液氢/液氧发动机,比日制LE-7A液氧/液氧发动机落后十到二十年,应该没有多少人反对了。

(下为液体火箭发动机的三种循环方式)

大推力固体火箭发动机技术,中国落后日本二十年!

而我们今天要说的是,在大推力固体火箭发动的研制上,中国也远比日本落后。

固体火箭发动机技术,是一种典型的军民两用技术。

军事专家一致认为,一个能研制大推力固体火箭发动机的国家,也是一个潜在的、可研制洲际导弹的国家。为和平利用宇宙空间而开发的大推力固体火箭,也能用于向敌国投掷核生化弹头。

简而言之,只需将固体运载火箭所携带的卫星、行星探测器等民用载荷,更换成核弹头或生化武器弹头,就能让一枚大推力固体运载火箭,变身为中远程甚至洲际导弹。

早在1997年,日本就成功发射了三级固体运载火箭M-5号。这是一种全长近31米,起飞重量接近140吨,具备将1.8吨重载荷送入距离地面约250公里低轨道的全固体火箭。

而直到今天,中国还没研制出可与M-5相提并论的大推力固体运载火箭。因而用比较粗鄙的话来说,就是在大推力固体火箭发动机研制上,中国落后于日本二十年。

日制M-5火箭的牛逼,表现在以下几个方面:

一是其第一级所用的M-14固体火箭发动机,是世界上推力第二大的固体火箭发动机,其海平面推力达370吨,真空推力约400吨。世界上推力最大的固体火箭发动机,是美国航天飞机使用过的固体火箭助推器。美国航天飞机的固体火箭助推器,自重590吨,直径3.7米,高45米,海平面推力超过1200吨,真空推力大于1300吨。

二是M-5火箭的总起飞重量大。它的起飞重量,超过了美国空军MX“和平卫士”洲际导弹的88.5吨;也大于美国洛克希德·马丁公司雅典娜II型运载火箭的120.7吨;比俄罗斯的R-39 Rif潜射洲际弹道导弹的90吨也要重。

三是M-5火箭的投掷重量巨大。有专家计算后得出结论,如果将M-5火箭改装成洲际导弹,则它就是一种可携载3吨重核弹头,射程超万公里的洲际弹道导弹。其投掷重量与射程,已超过美制MX“和平卫士”重型洲际导弹。

四是M-5火箭的二级与三级发动机,是两种相当牛逼与先进的固体火箭发动机。如其第二级发动机M-24高6.61米,直径 2.5米,空重 4吨、总重 37吨,真空推力超过150吨,比冲 292秒;其第三发动M-34,高3.61米,直径 2.5米,空重 1吨、总重 12吨,真空推力超过30吨,比冲 301秒。

(下为用碳纤维/环氧树脂基复合材料制造的火箭壳体)

大推力固体火箭发动机技术,中国落后日本二十年!

一句话,在研制大推力固体火箭发动机上,日本人功力深厚。

一个国家研制出的固体火箭发动机,综合性能有多强,是由这个国家火箭设计师的设计水平、这个国家的材料科技水平、及所用推进剂性能等多种因素决定的。

在固体火箭发动机设计方面,中国的设计师与日本的设计师,水平应该在伯仲之间。

在固体火箭发动机所用推进剂方面,中国与日本也是半斤八两,两国都能生产出一流的高能推进剂。

中国在研发大推力固体火箭发动机方面,比日本弱的地方,主要弱在材料与制造加工艺方面。

在固体火箭发动机的壳体材料研发及其加工工艺方面,日本曾在很长一段时间内,将中国甩开了几十条大街。

中国在长达三十年内,未能开发出固体火箭发动机壳体使用的高性能碳纤维。当日本在20世纪70年代,就能生产出高性能碳纤维时,中国的固体火箭发动机,还只能使用合金钢或玻璃钢等低性能材料来制造壳体。

固体火箭发动机是当今各种导弹武器的主要动力装置。使用固体火箭发动机的各种导弹,具有结构简单、机动性强、可靠性好、易于维护等一系列优点。

固体火箭发动机的主要部件,如燃烧室、喷管、点火装置等主要部件,都是在高温、高压的恶劣环境中工作。因而固体火箭发动机所用材料的优劣,直接关系到其性能好坏。只有材料科技水平最先进的国家,才可能研制出最高性能的固体火箭发动机。

(下为美国航天飞机固体火箭助推器工作情景)

大推力固体火箭发动机技术,中国落后日本二十年!

大家知道,固体火箭发动机的壳体,既是推进剂贮箱又是燃烧室,同时还是火箭或导弹的弹体。因此,设计师在设计固体火箭发动机壳体时,需按四个原则来选择所用材料:

一是壳体是一个内压容器,壳体材料应能承受强大的内压;

二是壳体是导弹整体结构的一部分,具有适当结构刚度的材料,才能用于壳体制造;

三是壳体所用的材料在强度大同时必须密度小,以减轻壳体自重;

四是固体火箭发动机点火后,壳体将受到来自内部燃气的加热,因而壳体所用的材料,需具备强大的耐热冲击及抗火焰烧蚀性能。

截至目前,人类共在固体火箭发动机上,使用过四代壳体材料:第一代为金属材料;第二代是玻璃纤维/环氧树脂基复合材料;第三代为有机芳纶纤维/环氧树脂基复合材料;第四代为高强中模碳纤维/环氧树脂基复合材料。

具体来说,金属材料是最早应用于固体火箭发动机的壳体材料,主要为低合金钢、钛合金等。但这些金属材料,存在密度大、自重重等缺点。

高性能纤维/树脂基复合材料诞生后,复合材料就成了固体火箭发动机壳体的首选材料。

(下为美国“三叉戟”潜射洲际导弹出水场景)

大推力固体火箭发动机技术,中国落后日本二十年!

固体火箭发动机壳体使用的第一代复合材料是俗称玻璃钢的玻璃纤维/环氧树脂基复合材料。

如20世纪60年代初期,美制“北极星-A2”潜射弹道导弹的发动机壳体,就使用玻璃钢复合材料。与美制“北极星-A1”潜射弹道导弹的合金钢壳体相比,“北极星-A2”的壳体重量要轻60%以上,制造成本也降低了66%。

这也意味着,“北极星-A2”导弹在外形尺寸与北极星-A1相同情况下,其发动机可装更多推进剂,因而其射程更远。

玻璃钢作为固体火箭发动机的壳体材料,具有比强度较高优点,但其弹性模量偏低,容易变形。为防止其变形,须增加壳体厚度,这样一来,玻璃钢轻便的优点,又被抵消了。

20世纪70年代,芳纶纤维/环氧树脂基复合材料,作为一种比玻璃钢强度更大、更轻便、更优越的复合材料,被应用于固体火箭发动机的制造中。

如美国用芳纶49纤维/环氧树脂基复合材料制造“三叉戟-Ⅰ”固体洲际潜射导弹的第一、二、三级发动机壳体;上世纪80年代初,美国又用芳纶49纤维/环氧树脂基复合材料,制造陆基洲际导弹MX“和平卫士”的发动机壳体。

美国“三叉戟-Ⅱ”固体洲际潜射导弹的第三级发动机壳体,也是用芳纶49/环氧树脂基复合材料制成。前苏联的SS-20、SS-24和SS-25等洲际导弹的各级发动机,均采用芳纶APMOC纤维/环氧树指基复合材料制造壳体。

(下为使用复合材料壳体的潜射洲际导弹)

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研究表明,对于相同尺寸的发动机壳体,使用芳纶纤维/环氧树脂基复合材料制造时,与使用玻璃纤维/环氧树脂基复合材料制造的相比,固体火箭发动机推进剂装填量可提高很多,而壳体自身重量则减轻1/3以上。

上世纪80 年代以来,碳纤维作为一种比强度、比模量居各种纤维之首的新型材料,赢得了新材料之王美名。

使用碳纤维/环氧树脂基复合材料制造的壳体,比用芳纶纤维/环氧树脂基复合材料制造的壳体,在重量上可再减少三分之一,从而使发动机的装药质量比可高达0.93以上。

美国 “三叉戟-Ⅱ”潜射导弹的第一、二级固体火箭发动机的壳体及“侏儒”导弹的第一、二、三级固体火箭发动机的壳体,均采用顶级的IM7碳纤维/环氧树脂基复合材料制造。

另外,碳纤维/环氧树脂基复合材料制成的壳体,还具有可吸收雷达波的隐身功能。

值得一提的是,日本的东丽公司,于上纪纪七十年代开始研发碳纤维的生产加工工艺,其研制的T-300、T-700碳纤维, 被广泛应用于航天航空产品中。

目前,日本是世界上最强的碳纤维研发生产大国,年产量超万吨。日本东丽、东邦和三菱公司,是全球碳纤维市场的三强,它们提供的碳纤维,占据了全球碳纤维市场60%的份额。

而另一方面,日美欧等西方发达国家,均将高性能碳纤维视为战略材料;还将碳纤维生产加工技术,当做与核武器生产制造技术同级别的敏感技术。他们联合起来,严禁向中国出口碳纤维及向中国转让碳纤维生产加工技术。

(下为固体火箭发动机结构图)

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环氧树脂是先进复合材料的基体材料。用各种纤维生产大型固体火箭发动机壳体时,需用到环氧树脂。目前,火箭发动机纤维材料壳体所用树脂基体,仍以环氧树脂为主。许多国家的科技人员都在致力于开发高性能环氧树脂,以让其与不断提高的纤维性能相匹配。

日本生产的环氧树脂,质量好,性能强。

在利用碳纤维/环氧树脂基复合材料加工成固体火箭发动机壳体方面,日本也遥遥领先于中国。日本发明的多种碳纤维缠绕加工工艺,已被写进教科书中。

日本的M-V火箭与新型的全固体三级火箭“艾普斯龙”上,使用了碳纤维/环氧树脂基复合材料壳体。

日本固体火箭发动机使用的高能推进剂,其性能不亚于美俄欧固体火箭发动机所用的推进剂。

事实证明,通过使用最先进的碳纤维/环氧树脂基复合材料壳体、给固体火箭发动机装填综合性能最好的高能推进剂,使得日本抢在中国与印度之前,研制出了达世界一流水平的大推力固体火箭发动机。

中国军队所用的东风-21中程弹道导弹、东风-31准洲际弹道导弹、东风-41重型洲际弹道导弹与巨浪-1/2潜地洲际弹道导弹,也是固体推进剂导弹。但很可惜的是,这些名声远扬的中国导弹,它们使用的固体火箭发动机,单台推力都很小,没有超过百吨推力的型号。

令中国航天人汗颜的是,日本M-5运载火箭第一级与第二级,所用的固体火箭发动机,其推力早就超过了100吨。特别是M-5的第一级所用的M-14发动机,推力更是超过了300吨。

(下为中国东风-31固体导弹方阵)

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中日两国在大推力固体火箭发动机技术上的差距,让中国航天人很没面子。也让爱中国爱得要哭的部分爱国人士,伤心得捶胸顿足,甚至夜夜以泪洗面。

在固体火箭发动机壳体材料方面,因中国的高品质碳纤维产能低,还没有消息表明,中国的大推力固体火箭发动机,已用上了碳纤维/环氧树脂基复合材料壳体。

据来自中国官媒的消息说,中国的东风-21、东风-31、巨浪-1/2等固体导弹上,其发动机壳体使用过的最先进材料,是芳纶纤维/环氧树脂基复合材料。与美俄日最先进的固体火箭相比,中国固体导弹壳体所用材料,要足足落后一代。

原因很简单,不是中国的火箭与导弹设计师,不想使用碳纤维/环氧树脂基复合材料制造壳体,而是中国在研制这几型导弹时,中国尚未掌握高性能碳纤维的工业化生产技术。

直到最近三五年,中国才掌握T300、T700等级别的碳纤维生产技术,且年产量只有几十吨。至于年产量千吨的碳纤维生产线,2016年年初才建成。

中国的固体火箭发动机壳体,要用上高性能碳纤维/环氧树脂基复合材料,还得等一段时间。

(下为中国直径2米固体火箭发动机壳体)

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直到21世纪初,中国才开始研发大推力固体火箭发动机。

中国航天科工集团与中国航天科技集团,为填补中国在大推力固体火箭发动方面的短板,十几年前才先后进军大推力固体火箭发动机研制领域。

2005年,中国航天科工集团航天四院自筹资金,启动了直径2米、推力百吨级的固体火箭发动机预研工作。

2015年9月,中国长征-11号四级火箭,发射成功。其第一级配装一台直径2米、地面推力120吨大推力固体火箭发动机。

直到2016年8月,由中国航天科技集团研制的、直径3米的大型固体火箭助推发动机,才在地面热试车取得成功。该型号固体发动机是中国目前在研的固体火箭发动机中,直径最大、装药量最大、推力最大的型号。其试车成功,标志着中国已掌握大型固体火箭助推发动机关键技术,也表明中国新一代运载火箭固体助推技术又向前迈进一大步。

(下为中国直径3米固体火箭发动机验证机)

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但令中国吃瓜群众仍不开心的是,即使这个直径3米的固体火箭发动机,目前其最大地面推力也只有150吨,将来,其改进型的推力,估计很难突破300吨。仍比日本M-5火箭第一级发动机的推力小。

更重要的是,中国3米直径固体火箭发动机的这次试车成功,仅仅是这个“大家伙”正式问世前的首次通过“小考”。在正式投入使用前,它还要经历多次“考试”。未来,这个直径3米的大家伙,将作为中国重型运载火箭固体助推器使用。

总之,在大推力固体火箭发动机研制方面,中国仍然很落后,不但比美国落后,也比日本落后。

估计还需花上二三年时间,中国才能弄出与日本M-5火箭同级别的大推力固体运载火箭。

在大推力固体火箭发动机研制方面,中国的航天人,仍须继续努力。

希望中国的航天人,能按照习老帅哥的指示:撸起袖子,加油干!以尽快将中国大推力固体火箭发动机的技术水平搞上去!

(本文作者“楚人陈奇雄”先生,是武汉某报资深记者、军事版责编、科技史爱好者。)

(下为法国M-51固体潜射洲际导弹)

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