加速冲刺的导弹动力之道

文/高峰 徐敏

能量是驱动万物最本质的原因。无论是汽车行驶，还是火箭（飞行器）飞行，都是通过某种能量转换获取动能的过程。导弹是靠发动机喷射工作介质产生的反作用力向前推进的飞行器。它自身携带全部推进剂，既可以在稠密大气层内，也可以在稠密大气层外飞行。无论导弹家族是如何形态各异，从最基础的推进技术而言，面对不同的多级推进技术、推进剂技术和发动机技术，导弹设计者可有多种选择。

一级还是多级——谁更强

通常，导弹设计人员主要根据导弹预期工作指标，如所需飞行距离和最终飞行速度来选择采取单级或多级推进技术。大家经常听说的一些导弹，如反坦克导弹、近程防空导弹等，因作战距离短，通常在数十千米距离内打击敌方，所以大多采用一级推进技术。但是，如果要设计能飞行数千千米距离、达到数倍音速飞行速度的战略导弹，就必须采取多级推进技术。因为单级火箭看似简单易行，但存在的问题不少。比如，自重消耗大。假如把巨大的导弹做成单级，那么全部推进剂只能贮存在单个推进剂箱内，这就意味着，推进剂箱的容积不仅要足够大，而且还必须加厚箱壁来承受推进剂的质量压力。战略导弹的推进剂箱越厚则越重，所耗费的推进剂就越多，造成不必要的浪费。我国东风3 型弹道导弹的射程达到2800千米，已经是单级导弹的极限。

为了能飞得更远，科学家在采用高强度轻量化的结构材料的同时，还设计了多级火箭进行接力飞行。如俄罗斯的“口径”超远程反舰导弹，先是最底下的第一级点火“开跑”，进入末制导阶段即将攻击目标时，一级推进剂耗尽，固体火箭助推器自动脱落；第二级涡扇发动机接过“接力棒”，进一步加速，推进剂用完后再次关机并自动脱离。如果有第三级甚至第四级火箭，一边抛弃一边接力，弹身越来越轻，速度越来越快。

2022 年6 月24 日，俄罗斯海军发射了两级推进的“口径”（3M-14）导弹精确击中乌克兰军指挥所，摧毁10 门榴弹炮和20 辆装甲车。与此同时，正在开会的乌军“亚历山德里亚”集群指挥层50 名军官也无一人能幸免。俄军最新型的“口径”高精度巡航导弹，其最大射程超过4000 千米，飞行速度最高可达3 马赫。

导弹级数并不是越多越好。级数越多，每一级必备的动力系统、控制系统以及连接和分离结构都会增加，同样会增加结构质量并降低可靠性，导弹性能也会因结构质量增加而变差。因此，目前在役的中远程导弹大多采用2～3级推进。

多级火箭常用的形式是串联和串并联。串联就是将多个火箭通过级间连接/分离机构连成一串，第一级在最底下先点火助推，工作完毕后通过连接/分离机构被抛弃。接着，其上面级火箭依次工作并被依次抛弃，直到有效载荷进入飞行轨道。并联就是将多个火箭并排地连接在一起，周围的子级火箭先工作，工作完毕后被依次抛弃，直至有效载荷进入飞行轨道，中央的芯级火箭最后工作。以并联方式连接的多级火箭，又称为“捆绑式火箭”。如果芯级火箭本身又是串联式多级火箭，那么这种形式就是串并联。我国的“长征”系列火箭中，既有串联式火箭，又有串并联式火箭。

多级火箭相较于单级火箭优势明显，主要表现在：其一，多级火箭在每级工作结束后可以抛掉不需要的质量，能够获得良好的加速性能。其二，多级火箭各级发动机是独立工作的，可以按照每一级的飞行条件设计优化发动机，从而提高火箭的飞行性能。其三，多级火箭还可以选择每一级推力的大小和工作时间，以适应飞行要求。但是多级火箭的缺点也很难回避，如使用的发动机数量多，结构也更复杂；各级之间需增加级间段进行连接，可靠性降低；结构细长，弯曲刚度差，不容易实现气动稳定；等等。

推进剂用液体还是固体——谁更好

2020 年7 月28 日，韩国国家安保室第二次长金铉宗宣布，韩美当天同意修改《韩美导弹方针》，不再限制韩方运载火箭使用固体推进剂。那么，韩国为何一直受限禁止发展固体推进剂火箭呢？原因还得从推进剂的类型说起。客观上讲，火箭推进剂技术既是火箭与导弹的共用技术和支撑技术，也是制约技术，其性能优劣直接影响到战略和战术导弹的生存能力和作战效能。

推进剂是决定火箭和导弹飞行能力的基础。从物理形态上讲，当前使用的推进剂有液态和固态两种形式。现有导弹液体推进剂组合中，作为氧化剂的有液氧（O2）、硝酸（HNO3）、四氧化二氮(N2O4)等，作为燃烧剂的通常有乙醇（C2H5OH）、煤油、偏二甲肼（C2H8N2）和液氢（H2）等。固体推进剂的成分几乎全部是敏感高爆和剧毒化学品，非常容易燃烧爆炸。针对先进高能固体推进剂配方的探索研究，近期聚焦于聚硝酸酯二氧杂环丁烷（3-PNO）。下一步，国外主要立足于NEPE 推进剂能量再提高，采取的主要技术途径为GAP/NE/CL-20/AP/Al 推进剂体系、GAP/HNF/Al 推进剂和CH 聚合物/ADN/AlH3 推进剂等。中期将主要立足于笼形富氮张力环化合物、氟氮或氟氨化合物的成功应用，能量比NEPE 高10%左右。远期将立足于激发态、亚稳态和原子簇、分子簇化合物的成功应用，能量水平较NEPE推进剂显著提高。

早期火箭和导弹都使用液体推进剂为动力。但由于液体推进剂需要低温储存，运输较难，发射时还需要临时加注，作战反应慢，使大型机动战略导弹的通过性和机动性受到限制，因此目前液体导弹多为发射井型洲际远程战略导弹。为了提高响应速度实现即需即打，世界各军事强国先后研制成功固体推进剂。固体推进剂的储存和运输方便，作战反应快，可靠性高，适用性广，在航天和国防领域都有着重要用途，因此，使用固体推进剂的运载火箭可转用于洲际弹道导弹等军事目的。出于这种担忧，美国一直通过《韩美导弹方针》限制韩国使用固体推进剂。固体推进剂技术一直都是各大国严密保护的尖端科技。

那么，液体推进剂导弹是不是都要面临淘汰呢？答案是否定的，因为有的液体推进剂导弹的射程远达12000 千米以上，所以尽管二次打击能力较采用固体推进剂的机动发射导弹弱，但是保留洲际能力与保持机动性同等重要。加之，近年来发展的可贮存液体推进剂在一个相当大的温度和压力范围内是稳定的，并与结构材料反应少，允许在封闭容器内贮存较长的时间，使用这种推进剂可有效缩短导弹发射准备时间，且安全性好。俄军除了采用低腐蚀性推进剂外，还在导弹推进剂箱内壁镀了一层高分子膜，有效隔绝了推进剂与金属壁的接触。而且导弹在出厂前推进剂箱严格密封，这样推进剂可以保证5～8 年的战备状态。同时，传统的固体推进剂也存在问题，尤其是一旦点火后，就难以控制或改变推进性能，这样就导致智能弹药、动能拦截弹等新型弹药要求的推力可调整、能多次熄火/启动等功能难以实现，智能打击、机动飞行、轨道定位、姿态调整等任务较难完成。为此，美国国防部、美国宇航局、雷神公司等机构近年来主要通过加入表面活性剂或电压控制技术，持续推进燃烧可控的固体推进剂技术研发，已在现有的小型发动机上，成功验证了在较宽压力范围内燃烧可控的固体推进剂。

因此，从目前的运用对象来看，民间多采用液体推进剂，军方则多使用液固混用推进剂。如俄罗斯“萨尔马特”导弹仍用液体推进剂，而“白杨-M”、“亚尔斯”这样的陆基洲际弹道导弹却已经使用固体推进剂了。S-75 导弹采用液固混合推进，其二级火箭发动机发射前加注的是液体推进剂，最后的助推剂则是固体的。

两种火箭发动机——谁更优

既然有两大类推进剂，那么火箭发动机必然有液体发动机和固体发动机之分。这两种推进形式各有优缺点，这也是两种发动机可以长期共存的原因。

液体发动机可控性更强液体火箭发动机系统的组成，包括推进剂贮存输送系统和发动机本体。其工作过程是将推进剂送到燃烧室中，推进剂在燃烧室内混合燃烧，完成化学反应，产生高温高压燃气。之后，燃气通过喷管膨胀做功，高速排出，产生推力。类似驾驶车辆中的油门控制，液体发动机可以利用各种阀门调节推进剂的流量和速度，达到对推力控制的目的。所以，液体发动机的推力易调节，易于满足导弹飞行状态要求，基本上不受环境温度的影响，能更灵活地关机和重新启动。这个特点，有助于分导式多弹头的远程导弹在释放多弹头时，通过末级火箭发动机的不断关机和启动，准确调整各个分弹头的弹道。而固体发动机很难做到这一点。由于固体推进剂一旦点燃就很难调节燃烧程度，只能通过预先设计的固体装药孔来控制燃烧面积，从而控制推力。或者增加设计反推力孔或反向辅助发动机，但这又增加了发动机的设计复杂程度和总体质量。近年来，科学家本着对固体发动机的性能优化，提出了多级推力、多次启动的设想，但实现起来难度较大。因此，固体推进剂发动机的推力状态控制困难，只能按设计状态工作到结束，参数确定后就难以改变，且飞行中发动机性能偏差大，这给导弹总体设计带来了困难。

液体发动机结构复杂得多目前，采用液体推进剂的导弹，其氧化剂和燃烧剂分别贮存，进入燃烧室后才混合燃烧。因此，除了需要有各自的独立贮箱外，还需配置增压系统、管路系统、输送系统和组分比调节系统等。而固体发动机无须配置这些系统，其推进剂是预先浇注或直接装填在燃烧室内，除了喷管的推力向量控制装置外，没有转动的部件，这使得固体火箭发动机结构简单，零组件数量少，可靠性高。现代固体火箭发动机的可靠性已达99%以上，这是液体火箭发动机无法比拟的。

固体发动机加速性能更好固体推进剂发动机启动时能在短时间内达到额定推力，这也是地空导弹、反导导弹、反坦克导弹等打击机动目标的导弹多采用固体火箭发动机的原因。但这也对制造固体发动机的材料耐热、隔热和抗烧性能提出了更高要求。由于受到受热部件耐热时间和装药尺寸的限制，固体火箭发动机的燃烧时间不能太长，最长仅为100 多秒，但可在较短时间内将导弹推送到需要的速度，这对突破导弹拦截系统意义重大。例如，俄罗斯目前开始扩大服役的“白杨-M”洲际导弹最具革命性的改进，就是其采用的“速燃技术”提高了发动机效率，缩短了助推段（即起飞段）时间，这在对抗美国的弹道导弹防御系统方面尤为有效。如果进一步将导弹的起飞助推时间压缩至70～80 秒，高度降至100 千米，就可增加美国预警卫星上红外探测器发现并定位导弹的难度，甚至使其来不及探测和定位，从而有效对抗反导系统在助推段对导弹的攻击。

固体发动机战术适用性更广随着高比冲、低燃速的固体推进剂的加速发展，低密度高强度新型复合材料在固体发动机上的应用，高精度的控制系统、小型化设备和小型化的核弹头等，对火箭的运载能力降低了要求，突出了固体推进剂的优点，使之应用越来越广泛。20 世纪80 年代后期发展的导弹，包括机动飞行的导弹，多为固体推进剂导弹。如2016 年欧洲开始入役的“流星”空空导弹，是全球首类使用固体发动机的空空导弹。2021 年，在第十三届印度国际航空和防卫展上，印度国防研究与发展组织宣布，印度与俄罗斯联合研制的远程固体冲压动力空空导弹——Astra MK3，将于2022 年开始进行实弹研发测试。

尽管固体发动机导弹的应用前景广阔，但由于技术、经济、需求，甚至传统等因素，液体发动机导弹仍担负着许多国家的战略威慑主力。上述两种推进技术的导弹将各司其职，长期共存。