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聊聊固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑
來(lái)源:邢強(qiáng) 小火箭
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作者:邢強(qiáng)博士
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發(fā)布時(shí)間: 2016-12-22
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本文是小火箭經(jīng)典導(dǎo)彈與火箭系列文章第4季的第1篇。在之前的文章中，小火箭較為詳細(xì)地分析了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及使用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的土星-5號(hào)、N-1宇宙神等多種火箭與導(dǎo)彈。在本季，我將以固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的綜述文章開篇，繼續(xù)咱們的導(dǎo)彈與火箭之旅吧！
如果說(shuō)導(dǎo)彈是戰(zhàn)神阿瑞斯投出的長(zhǎng)矛，那么是誰(shuí)塑造了戰(zhàn)神的臂膀？
如果說(shuō)火箭承載的是夸父逐日的夢(mèng)想，那么又是誰(shuí)讓夸父的雙腿充滿了能量？
現(xiàn)代科技讓人們擁有了自遠(yuǎn)古以來(lái)便無(wú)比憧憬的一飛沖天的能力，這種能力的背后推動(dòng)者是各式各樣的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，而這些發(fā)動(dòng)機(jī)的背后則是那些燃燒了自己，以自身的煙消云散換取發(fā)動(dòng)機(jī)巨大推力的推進(jìn)劑。
在推進(jìn)劑被點(diǎn)燃之前，人們往往會(huì)忽略了它們的存在。其實(shí)在火箭、導(dǎo)彈那些亮閃閃的金屬外殼下面，大部分是推進(jìn)劑的天下（以美國(guó)三叉戟彈道導(dǎo)彈為例，其固體推進(jìn)劑的質(zhì)量占到了全彈質(zhì)量的95%）。
當(dāng)推進(jìn)劑被點(diǎn)燃之后，恐怕很難有其他東西能比那個(gè)場(chǎng)面更能吸引人們的眼球了?？催^(guò)采用固體推進(jìn)劑的導(dǎo)彈發(fā)射的人們往往會(huì)對(duì)導(dǎo)彈后面拖帶的煙霧留下深刻印象。
細(xì)心的人們或許還能看出這些煙霧的不同：有的是黑色的濃厚煙霧，像燃著了一堆潮濕的木柴；有的則是濃濃的白色煙霧，像拉長(zhǎng)了一團(tuán)白色的云彩；還有的則沒(méi)有那么壯觀，淡淡的煙霧很不明顯，甚至連靠近發(fā)動(dòng)機(jī)尾部的火焰也沒(méi)有那么耀眼。造成這些區(qū)別的原因何在呢？產(chǎn)生哪種煙霧的推進(jìn)劑會(huì)代表未來(lái)的發(fā)展方向呢？是霸氣的濃煙滾滾還是低調(diào)的青煙一縷呢？
1.固體推進(jìn)劑的出現(xiàn)
要想知道那些煙霧是怎么一回事，我們需要首先了解一下固體推進(jìn)劑是由什么構(gòu)成的。
能夠成為推進(jìn)劑的材料有很多，凡是能夠在沒(méi)有外界氧化劑存在的情況下發(fā)生不依賴于外力的持續(xù)燃燒，并能在燃燒期間產(chǎn)生大量高溫氣體分子或固體噴流的材料均有這個(gè)潛力。總體來(lái)說(shuō)，燃燒是一種劇烈的快速放熱的氧化還原反應(yīng)，因此推進(jìn)劑自身必須要同時(shí)含有氧化劑和充當(dāng)還原劑的燃燒劑。
氧化劑和燃燒劑都是固體的推進(jìn)劑叫做固體推進(jìn)劑。它們被制成符合設(shè)計(jì)要求的幾何形狀，澆鑄或充填在一個(gè)一端開口的容器內(nèi)。當(dāng)被點(diǎn)燃的時(shí)候，推進(jìn)劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成燃?xì)獾臒崮埽诮?jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的時(shí)候，又部分轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，形成推力。
最早的固體推進(jìn)劑是被稱為中國(guó)四大發(fā)明之一的黑火藥。以硝酸鉀、硫磺、木炭混合而成的黑火藥早在公元808年便已有文獻(xiàn)記載，并在北宋時(shí)期用來(lái)推動(dòng)城防部隊(duì)的火箭。公元1240年左右，黑火藥的秘密被傳播到了阿拉伯等地。黑火藥的重要組成成分，充當(dāng)氧化劑的硝酸鉀被阿拉伯人稱作“中國(guó)雪”，而波斯人覺(jué)得它的外表像鹽，取名為“中國(guó)鹽”。黑火藥傳播到歐洲之后，一直以發(fā)射藥的身份見(jiàn)證了槍械火炮技術(shù)的飛速發(fā)展。
然而，現(xiàn)代導(dǎo)彈和火箭上已經(jīng)難覓黑火藥的蹤影了。讓我們跳過(guò)黑火藥的千年統(tǒng)治時(shí)期，直接來(lái)到1884年。
這一年，法國(guó)工程師維埃利將硝化棉溶解在乙醚和酒精里，在其中加入適量的穩(wěn)定劑，成為膠狀物，并最終制成了世界上第一種無(wú)煙火藥。從此，各種槍炮都開始采用了硝化棉制成的火藥作為發(fā)射藥。
二戰(zhàn)期間，大名鼎鼎的喀秋莎火箭炮使用的BM-13系列火箭彈的推進(jìn)劑就采用了無(wú)煙火藥，或者更精確地說(shuō)是硝化纖維推進(jìn)劑。
硝化棉是一種纖維狀的物質(zhì)，很難做成固定形狀的彈體裝藥，人們用粘稠的硝化甘油做增塑劑和硝化棉混合在一起便形成了雙基推進(jìn)劑。在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，雙基推進(jìn)劑都是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的主要原料。
硝化棉和硝化甘油本身都既包含氧化劑的成分又包含燃燒劑的成分。硝化棉有點(diǎn)兒富燃（燃燒劑的成分多一些），硝化甘油則有點(diǎn)兒富氧（氧化劑的成分多一些）。
原本它們兩個(gè)的配合是比較理想的。但是，隨著人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的日益提高，這個(gè)經(jīng)典搭配能夠產(chǎn)生的比沖已漸漸不能滿足人們的需要（比沖是一個(gè)描述火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要物理量，其定義為單位重量的推進(jìn)劑能夠帶來(lái)的動(dòng)量的改變量。相同重量的燃料，比沖越高，能夠提供給的動(dòng)量越大。）
經(jīng)過(guò)小火箭的計(jì)算以及以若干型號(hào)為算例的驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：
中程彈道導(dǎo)彈的固體推進(jìn)劑的比沖每提高1秒，射程會(huì)增加70千米左右。對(duì)于洲際導(dǎo)彈而言，每1秒的比沖增量則可以增加約100千米的射程）。工程師們開始為提高推進(jìn)劑的比沖想盡辦法。
于是，被稱作“無(wú)煙火藥”的硝化棉及其搭檔硝化甘油，因?yàn)檫^(guò)于“單純”，清潔有余而霸氣不足，被人們拉下了固體推進(jìn)劑的王者寶座。于是一個(gè)復(fù)合推進(jìn)劑的時(shí)代到來(lái)了，一個(gè)向雙基推進(jìn)劑中加入各種添加劑的時(shí)代到來(lái)了，一個(gè)充滿著煙霧和火焰的時(shí)代也隨之到來(lái)了。
2.濃濃的煙霧來(lái)了
1936年，美國(guó)加州理工學(xué)院的馮·卡門博士（錢學(xué)森的導(dǎo)師）嘗試用無(wú)機(jī)氧化物高氯酸鉀和有機(jī)物瀝青制作推進(jìn)劑，開啟了復(fù)合推進(jìn)劑時(shí)代。隨后，各種高氯酸物開始成為推進(jìn)劑的主角。其中，容易制取、價(jià)格低廉的高氯酸銨是早期煙霧制造者的代表。
高價(jià)態(tài)的氯元素使其成了一種天生的強(qiáng)勁氧化劑。當(dāng)氧化劑的能力是如此之強(qiáng)時(shí)，人們對(duì)燃燒劑的選擇便開始隨意起來(lái)。理論上，任何能夠提供充足可燃的C、H、N等元素的物質(zhì)均可做高氯酸銨的搭檔。
以高氯酸銨為氧化劑的復(fù)合推進(jìn)劑一出現(xiàn)，就像一頭怒吼的雄獅那樣，急急地宣告著新推進(jìn)時(shí)代的到來(lái)。說(shuō)高氯酸銨像雄獅，并不僅僅因?yàn)槠浔入p基推進(jìn)劑有更大的比沖，力量更大，更是因?yàn)樗鼝?ài)張揚(yáng)的個(gè)性。高氯酸銨當(dāng)中的氯元素在燃燒的過(guò)程中與燃燒劑中的氫元素生成了氯化氫（HCl）。
這種很容易凝結(jié)的氣體（1體積的水能快速溶解500體積的HCl）能夠在火箭的尾跡上形成大量的白霧，當(dāng)火箭在較低溫度的高空或在較為潮濕的海面附近發(fā)射時(shí)，白霧更為壯觀，會(huì)形成長(zhǎng)矛狀或?qū)毸畹哪Y(jié)云。以高氯酸銨為氧化劑的推進(jìn)劑在賦予了火箭雄獅般的力量的同時(shí)，也帶來(lái)了如雄獅鬃毛般霸氣的騰騰霧氣。
燃燒劑的選取是比較隨意的，但是為了把藥柱制成各種幾何形狀，這種以高氯酸銨為氧化劑的推進(jìn)劑還需要充當(dāng)粘合劑的物質(zhì)。在導(dǎo)彈（或火箭）飛行的過(guò)程中，氣動(dòng)加熱會(huì)使殼體的溫度迅速升高，而固體藥柱的導(dǎo)熱性則遠(yuǎn)遜于金屬殼體。這樣的溫度差異使得藥柱與殼體之間產(chǎn)生了拉應(yīng)力，如果粘合強(qiáng)度不夠的話，藥柱可能會(huì)提前剝離。
高聚物在這時(shí)進(jìn)入了人們的視野。它們含有大量的C、H等元素，可以充當(dāng)燃燒劑，同時(shí)它們有良好的粘合性能和可塑性（高分子聚合物，俗稱為塑料）。這些多面手角色的聚合物深受火箭設(shè)計(jì)師的喜愛(ài)，以至于他們直接用聚合物的名字來(lái)命名各種復(fù)合推進(jìn)劑。
最早出現(xiàn)的高聚物粘合劑是聚硫橡膠（Thiokol）。她是上世紀(jì)二十年代末出現(xiàn)的明星產(chǎn)品，代表著高分子化學(xué)的重大進(jìn)步。早期型號(hào)的響尾蛇AIM-9B空空導(dǎo)彈、海神導(dǎo)彈的推進(jìn)劑都采用了這種粘合劑。
然而，名氣并不意味著實(shí)力。因?yàn)榫哿蛳鹉z中含有大量硫原子，其燃燒產(chǎn)物的分子量較大，能量較低，所以這種推進(jìn)劑早已被淘汰。促成其淘汰的另一個(gè)可能的原因是：在燃燒過(guò)程中，如果氧平衡沒(méi)能很好地實(shí)現(xiàn)，這種推進(jìn)劑會(huì)產(chǎn)生令人印象深刻的黑煙，就像是燃著了一堆廢舊汽車輪胎一樣（硫化橡膠本身就是輪胎的主要成分）。
隨后被摻入固體推進(jìn)劑當(dāng)中的高聚物有聚丁二烯（PB， 運(yùn)動(dòng)鞋鞋底的原材料）、聚氯乙烯（頗有名氣的PVC，用來(lái)制造電纜外皮、塑料門窗以及仿制皮革、籃球、足球等）、端羧基聚丁二烯（CTPB，涂料、電氣零件）、丙烯腈（其高聚物為腈綸，又稱合成羊毛）。
較為成功的高聚物粘合劑為端羥基聚丁二烯（HTPB），其能量較高，常溫和高溫下力學(xué)性能良好。時(shí)至今日，HTPB仍被用在多種型號(hào)（如響尾蛇AIM-9L、AIM-9J、小獵犬等戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈）的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上。即使是伯特魯坦設(shè)計(jì)的太空艙一號(hào)也采用HTPB作為其固液混合發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒劑。
采用HTPB推進(jìn)劑的雅典娜運(yùn)載火箭
上世紀(jì)70年代末出現(xiàn)的XLDB配方（三叉戟I型導(dǎo)彈上使用）和上世紀(jì)80年代的NEPE配方（三叉戟II型導(dǎo)彈上使用，這是一種部署在美國(guó)俄亥俄級(jí)核潛艇上的帶有核彈頭的戰(zhàn)略導(dǎo)彈）逐步提升著復(fù)合推進(jìn)劑的性能。以各種高聚物為粘合劑的復(fù)合推進(jìn)劑給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)高推力的同時(shí)，也帶來(lái)了各種顏色和味道的煙霧。
在復(fù)合推進(jìn)劑大行其道的同時(shí)，曾經(jīng)的最佳搭檔——由硝化棉和硝化甘油組成的雙基推進(jìn)劑也不甘落后。于是，一類叫做“改進(jìn)雙基推進(jìn)劑”的配方開始出現(xiàn)。高氯酸銨以及多種添加劑也被嘗試著加到了它們之間以提高推進(jìn)劑的性能。
在這些添加劑的嘗試中有兩項(xiàng)創(chuàng)新很值得一提。
一個(gè)是金屬被當(dāng)作燃料加到了推進(jìn)劑中。最常用的金屬添加劑是鋁。鋁粉的燃燒能加快推進(jìn)劑的燃燒速度，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖，還能使燃燒變得更加穩(wěn)定。鋁粉顆粒的直徑只有幾微米，燃燒時(shí)間極短，溫度很高，人們對(duì)其燃燒機(jī)理還沒(méi)有研究透徹。
但是，鋁粉提高發(fā)動(dòng)機(jī)比沖的效果十分明顯，因此很多推進(jìn)劑添加了大量的鋁粉（如三叉戟I型導(dǎo)彈的第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)中摻有19%的鋁粉）。這樣的推進(jìn)劑產(chǎn)生的煙霧中會(huì)有大量三氧化二鋁顆粒存在，形成特有的金屬煙塵。
另一個(gè)創(chuàng)新是高能炸藥被添加到了推進(jìn)劑當(dāng)中。環(huán)三亞甲基三硝胺（RDX，俗稱黑索金）、環(huán)四亞甲基四硝胺（HMX，俗稱奧克托金）是兩種出名的猛炸藥。5千克重的錘子分別從28厘米和33厘米高度落下的沖擊力即可分別引爆黑索金和奧克托金，可見(jiàn)這兩種炸藥的性格有多么暴烈。RDX和HMX的加入抹平了推進(jìn)劑和炸藥的區(qū)別。在燃燒過(guò)程中，猛炸藥提供了更多的熱量，提高了推進(jìn)劑的比沖。
3.火焰與煙霧的影響
固體推進(jìn)劑燃燒所產(chǎn)生的煙霧是人們?yōu)楦倪M(jìn)無(wú)煙火藥推進(jìn)劑的推力特性和燃燒穩(wěn)定性而產(chǎn)生的副產(chǎn)品。由于空空導(dǎo)彈多采用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，且與載機(jī)親密接觸的機(jī)會(huì)較多，所以煙霧這一副產(chǎn)品產(chǎn)生的副作用較為明顯。
早在上世紀(jì)60年代，空空導(dǎo)彈便已成為了空戰(zhàn)的主角。而實(shí)際上，在空空導(dǎo)彈開啟空戰(zhàn)新紀(jì)元的時(shí)候，很多技術(shù)細(xì)節(jié)都還沒(méi)有準(zhǔn)備好，很多問(wèn)題也是在導(dǎo)彈實(shí)際發(fā)射之后，才開始引起人們的注意。早期的空空導(dǎo)彈采用的是含有金屬顆粒的固體推進(jìn)劑。為了提高噴氣能量和燃燒穩(wěn)定性，這些推進(jìn)劑中的鋁粉含量甚至?xí)_(dá)到20%！
以美國(guó)空軍早期型號(hào)的AIM-9響尾蛇空空導(dǎo)彈為例，其Thiokol MK17固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的藥柱質(zhì)量為40公斤，在2.1秒內(nèi)燃盡。也就是說(shuō)，每一枚響尾蛇導(dǎo)彈的尾氣中都會(huì)有約8公斤的鋁元素。以每個(gè)鋁制易拉罐的平均質(zhì)量為14克來(lái)算，在戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)射了一枚響尾蛇導(dǎo)彈后的2.1秒鐘內(nèi)，將會(huì)面臨著以2000℃的高溫飛來(lái)的571個(gè)熾熱易拉罐的燃燒產(chǎn)物的轟擊。大量的高溫金屬氧化物顆粒（如三氧化二鋁）撲面而來(lái)，處在導(dǎo)彈尾流中的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬間吞進(jìn)大量煙霧后，工作狀態(tài)會(huì)急劇下降，甚至?xí)l(fā)生空中停車的事故。
即使戰(zhàn)斗機(jī)在飛行包線和發(fā)射時(shí)機(jī)上做出了考慮，這些高溫金屬氧化物顆粒對(duì)載機(jī)機(jī)翼、機(jī)身的侵蝕危害還是難以避免。早期的戰(zhàn)斗機(jī)在發(fā)射過(guò)空空導(dǎo)彈之后，往往能在導(dǎo)彈發(fā)射架導(dǎo)軌、機(jī)翼前緣、進(jìn)氣道、壓氣機(jī)前幾級(jí)葉片甚至垂直尾翼和水平尾翼上發(fā)現(xiàn)一些白色薄霧狀的沉積物。上圖這枚AIM-7麻雀空空導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的動(dòng)靜也不小。
除了影響載機(jī)安全、侵蝕機(jī)體外，金屬氧化物顆粒會(huì)嚴(yán)重干擾制導(dǎo)雷達(dá)。對(duì)于依靠載機(jī)發(fā)射的雷達(dá)波照射目標(biāo)來(lái)制導(dǎo)的半主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)空空導(dǎo)彈來(lái)說(shuō)，在載機(jī)雷達(dá)波束受干擾的情況下搜索目標(biāo)無(wú)異于在漆黑的夜晚打著電力不足的手電筒搜尋一只狡猾的野兔。
猛炸藥的氧化成分比起高氯酸銨要少得多，很多粘合劑來(lái)不及被氧化便被分解成氫氣等小分子排到尾氣中。通常，高氯酸銨推進(jìn)劑和添加了猛炸藥的推進(jìn)劑的尾跡都帶有白色煙霧，但是，前者的燃燒產(chǎn)物主要是二氧化碳、水蒸氣和氯化氫，后者的燃燒產(chǎn)物則主要是氫氣、氮?dú)夂鸵谎趸肌?br />
在發(fā)動(dòng)機(jī)噴流的高溫中，氫氣和一氧化碳會(huì)進(jìn)一步燃燒，產(chǎn)生十分明亮的“二次火焰”。這是兩種推進(jìn)劑的主要區(qū)別，也是某些火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾焰極其耀眼的原因。反導(dǎo)系統(tǒng)的早期預(yù)警衛(wèi)星偵測(cè)的便是戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的高溫尾焰，大量的金屬煙塵成了一個(gè)反射強(qiáng)光的鏡面。在二次火焰和金屬顆粒鏡面的共同作用下，導(dǎo)彈早早地就暴露了行蹤。
另外，有些推進(jìn)劑中添加的是鉛鹽、銅鹽或稀土鹽，其燃燒產(chǎn)物會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。在環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)的現(xiàn)代，這些呈細(xì)微顆粒狀排放到大氣中的高污染物質(zhì)將會(huì)遭到越來(lái)越多的抵制。
4.讓煙霧消失讓火焰隱形
通過(guò)分析，我們知道了壯觀的煙霧雖然能給人以強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊，但是在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，還是少一些煙霧與火焰為好。于是在上世紀(jì)90年代，人們對(duì)導(dǎo)彈提出了更高的要求。除了要有很高的精確性和可靠性外，還要成為“三無(wú)產(chǎn)品”：無(wú)紫外線、可見(jiàn)光和紅外線輻射，無(wú)可見(jiàn)煙霧，對(duì)導(dǎo)彈制導(dǎo)和通信信號(hào)無(wú)干擾。這些目標(biāo)看起來(lái)十分苛刻，被當(dāng)時(shí)一些軍事專家指責(zé)為多此一舉、難以實(shí)現(xiàn)、浪費(fèi)經(jīng)費(fèi)。但是經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，技術(shù)人員對(duì)消除煙霧甚至隱匿火焰的能力再也不容小覷和戲謔了。
1993年，北約航空研究與發(fā)展咨詢委員會(huì)（Advisory Group for Aerospace Research and Development，簡(jiǎn)稱AGARD）發(fā)布了兩份學(xué)術(shù)報(bào)告，把我們前文所說(shuō)的濃濃的煙霧和明亮的火焰分為四類：一次煙霧、二次煙霧、電磁輻射和微波衰減。
一次煙霧主要由金屬添加劑燃燒后形成的氧化物、氫氧化物和氯化物等難熔、微小、滾燙的顆粒和從發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層、襯里層等處剝離沖散的一些碎末組成，分布在發(fā)動(dòng)機(jī)噴口附近。
二次煙霧由推進(jìn)劑中的高氯酸銨和氟化物等成分燃燒后形成的氯化氫、氟化氫凝結(jié)成的小液滴形成。二次煙霧通常會(huì)在一次煙霧生成后的數(shù)秒鐘之后出現(xiàn)，呈白色、淡黃色。推進(jìn)劑尾焰的電磁輻射包含了波長(zhǎng)從100納米到幾毫米的廣泛頻段。
我們?nèi)庋劭吹降幕鸺囊酃饷⒅皇呛甏筌S遷過(guò)程的一個(gè)小片段。以1000℃以上的高溫噴出的火焰里蘊(yùn)含著復(fù)雜而劇烈的能級(jí)躍遷過(guò)程，使推進(jìn)劑尾焰成了一個(gè)很容易被各種儀器探測(cè)到的強(qiáng)信號(hào)源。微波衰減主要指導(dǎo)彈煙霧對(duì)微波信號(hào)的干擾作用。在制導(dǎo)和通信過(guò)程中起著重要作用的微波信號(hào)在通過(guò)推進(jìn)劑煙霧時(shí)會(huì)因反射、散射、衍射、折射等多種效應(yīng)被嚴(yán)重衰減。
在了解了煙霧的形成原理和擁有了消除煙霧的決心之后，消煙滅焰的行動(dòng)也就有了方向?？傮w來(lái)說(shuō)，減少三氧化二鋁和氯化氫的含量是消除煙霧的重頭戲，而抑制二次燃燒則是隱匿火焰的主要方法。
為了減少一次煙霧，金屬燃料在推進(jìn)劑中的比例越來(lái)越少，有些新型推進(jìn)劑甚至已實(shí)現(xiàn)了零金屬添加。另外，推進(jìn)劑的氧化劑與燃燒劑的比例被越來(lái)越精細(xì)的化工技術(shù)配合得恰到好處，早期因?yàn)槿紵煌耆a(chǎn)生的充滿炭黑的濃濃黑煙已較為少見(jiàn)。
為了減少二次煙霧，高氯酸銨等含有鹵素的推進(jìn)劑被逐步淘汰，以黑索金、奧克托金為代表的猛炸藥推進(jìn)劑逐漸取代了鹵素強(qiáng)氧化推進(jìn)劑的位置。為了減少尾煙對(duì)微波信號(hào)的干擾，推進(jìn)劑中來(lái)了新成員——電子捕捉劑。這是一類有著較高電離電位的親電子物質(zhì)，能夠管住尾煙里活潑好動(dòng)的大量自由電子，從而改善尾煙的電磁特性。
隨著“消煙行動(dòng)”的進(jìn)一步開展，新型推進(jìn)劑的配方層出不窮。
傳統(tǒng)的炭黑和石墨等只要氧氣足夠就能充分燃燒不產(chǎn)生煙霧的老老實(shí)實(shí)的燃燒物也被歸入了裁撤名單。燃燒性能更好的富勒烯（一種由60個(gè)碳原子組成的類似足球的分子）及其衍生物將成為新的推進(jìn)劑碳源。導(dǎo)彈拖帶的黑煙將會(huì)越來(lái)越淡。
出于對(duì)高氯酸銨推進(jìn)劑的眷戀，美國(guó)人遲遲未能下決心淘汰這種氧化劑。為了減少尾煙中的氯化氫含量以避免形成二次煙霧，他們把黑火藥當(dāng)中的“中國(guó)雪”請(qǐng)了回來(lái)。硝酸鉀的“親戚”——硝酸鈉被當(dāng)作一種凈化劑來(lái)使用，有效地減少了尾煙中氯化氫的含量。導(dǎo)彈拖帶的白霧將會(huì)越來(lái)越少。
讓耀眼的尾焰隱形并不是一件容易的事。燃燒本來(lái)就是一個(gè)劇烈的發(fā)光放熱過(guò)程。不過(guò)，對(duì)于抑制 “二次火焰”（大多因尾氣中一氧化碳和氫氣的燃燒而形成）的方法則早已有人開始了研究。早在1977年，瑞典波福斯公司（這是一家曾屬于諾貝爾的歷史悠久的軍工企業(yè)）就發(fā)現(xiàn)，在火藥中加入含有堿金屬離子的聚合物能夠明顯減少火炮炮口的火焰。
在這一理論的支撐下，硬脂酸鉀、山梨酸鉀等有機(jī)鉀鹽被加入到了推進(jìn)劑中。值得注意的是，這兩種鉀鹽都是食品添加劑。硬脂酸鉀在食品中起穩(wěn)定、增稠、乳化、蓬松和抗結(jié)的作用。山梨酸鉀則更為常見(jiàn)，幾乎在所有帶包裝食品的配料表中都可以看到山梨酸鉀這種防腐劑的名字。
導(dǎo)彈尾氣中的二氧化碳和水都是三原子分子，這一類分子的紅外特征十分明顯。一些空空導(dǎo)彈如較新型號(hào)的響尾蛇導(dǎo)彈采用了含有大量奧克托金的丁羥無(wú)煙推進(jìn)劑，使尾煙中的二氧化碳和水分子含量大幅降低，在紅外波段實(shí)現(xiàn)了尾焰的低探測(cè)性。
北約已宣布在新裝備的所有戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上都要至少達(dá)到“低煙”的水平。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，嘗試使用低煙推進(jìn)劑的哈姆反輻射導(dǎo)彈起到了良好的作戰(zhàn)效果。像“幼畜”這樣的1972年就裝備部隊(duì)的導(dǎo)彈已改用了升級(jí)型的推進(jìn)劑，減少了70%的煙霧。
時(shí)至今日，自1993年的煙霧標(biāo)準(zhǔn)提出以來(lái)，先進(jìn)的推進(jìn)劑技術(shù)已經(jīng)使紅外、紫外和可見(jiàn)光等電磁輻射減少90%以上，激光透過(guò)率提高27%以上，微波衰減更是從原來(lái)的10分貝減少到了0分貝。
現(xiàn)代導(dǎo)彈的推進(jìn)劑尾煙對(duì)制導(dǎo)雷達(dá)的波束（尤其是毫米波波段）的零干擾有望于近期實(shí)現(xiàn)并將快速普及。
5.結(jié)束語(yǔ)
從黑火藥的出現(xiàn)到各種現(xiàn)代固體推進(jìn)劑的蓬勃發(fā)展，期間經(jīng)歷了1200多年的歷史。其中有約1000年的時(shí)間是黑火藥的天下。黑火藥中的硫磺相對(duì)于硝酸鉀來(lái)說(shuō)是一種還原劑，相對(duì)于木炭來(lái)說(shuō)又是一種氧化劑，其特殊的物理特性又能夠把硝酸鉀和木炭良好地粘合在一起。這種設(shè)計(jì)思想一直影響到今天。在復(fù)合推進(jìn)劑中，很多成分也是擔(dān)任著這樣的多重角色。
在黑火藥之后，我們經(jīng)歷了無(wú)煙火藥的時(shí)代，繼而在無(wú)煙火藥的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的硝化棉和硝化甘油雙基推進(jìn)劑成了最早的實(shí)用固體火箭推進(jìn)劑。為改進(jìn)推進(jìn)劑的性能，塑料、橡膠、金屬粉末、猛炸藥等各種工業(yè)添加劑輪番登場(chǎng)。上圖為印度PSLV運(yùn)載火箭發(fā)射時(shí)的場(chǎng)景。該火箭的第一級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)為一個(gè)巨大的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。詳見(jiàn)小火箭的公號(hào)文章《誰(shuí)說(shuō)三哥不行？印度火箭給中國(guó)公司發(fā)過(guò)衛(wèi)星》。
高氯酸銨推進(jìn)劑的壯觀煙霧代表了一個(gè)人類撼天動(dòng)地的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。隨后，精細(xì)化的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)使得由于供氧不平衡而產(chǎn)生的大量游離炭粒而形成的濃濃黑煙成為歷史。
金屬添加劑和鹵素氧化物的減少使得白煙也越來(lái)越淡。原本用于食品行業(yè)的添加劑成功地抑制了二次燃燒，讓尾焰也不再那么耀眼了。
美國(guó)青睞的CL-20推進(jìn)劑在工藝性能、力學(xué)性能、比沖、低特征信號(hào)等方面的優(yōu)勢(shì)較為明顯。歐洲的“潔凈火箭計(jì)劃”推出了新型的HNF配方。俄羅斯白楊-M彈道導(dǎo)彈采用了名為ADN的高能低可探測(cè)推進(jìn)劑。各國(guó)都在大力發(fā)展擁有更高性能、更少煙霧、更小火焰的固體推進(jìn)劑。
如果說(shuō)導(dǎo)彈是戰(zhàn)神阿瑞斯投出的長(zhǎng)矛，那么是誰(shuí)塑造了戰(zhàn)神的臂膀？
如果說(shuō)火箭承載的是夸父逐日的夢(mèng)想，那么又是誰(shuí)讓夸父的雙腿充滿了能量？
現(xiàn)代科技讓人們擁有了自遠(yuǎn)古以來(lái)便無(wú)比憧憬的一飛沖天的能力，這種能力的背后推動(dòng)者是各式各樣的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，而這些發(fā)動(dòng)機(jī)的背后則是那些燃燒了自己，以自身的煙消云散換取發(fā)動(dòng)機(jī)巨大推力的推進(jìn)劑。
1.固體推進(jìn)劑的出現(xiàn)
要想知道那些煙霧是怎么一回事，我們需要首先了解一下固體推進(jìn)劑是由什么構(gòu)成的。
能夠成為推進(jìn)劑的材料有很多，凡是能夠在沒(méi)有外界氧化劑存在的情況下發(fā)生不依賴于外力的持續(xù)燃燒，并能在燃燒期間產(chǎn)生大量高溫氣體分子或固體噴流的材料均有這個(gè)潛力。總體來(lái)說(shuō)，燃燒是一種劇烈的快速放熱的氧化還原反應(yīng)，因此推進(jìn)劑自身必須要同時(shí)含有氧化劑和充當(dāng)還原劑的燃燒劑。
氧化劑和燃燒劑都是固體的推進(jìn)劑叫做固體推進(jìn)劑。它們被制成符合設(shè)計(jì)要求的幾何形狀，澆鑄或充填在一個(gè)一端開口的容器內(nèi)。當(dāng)被點(diǎn)燃的時(shí)候，推進(jìn)劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成燃?xì)獾臒崮埽诮?jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的時(shí)候，又部分轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，形成推力。
最早的固體推進(jìn)劑是被稱為中國(guó)四大發(fā)明之一的黑火藥。以硝酸鉀、硫磺、木炭混合而成的黑火藥早在公元808年便已有文獻(xiàn)記載，并在北宋時(shí)期用來(lái)推動(dòng)城防部隊(duì)的火箭。公元1240年左右，黑火藥的秘密被傳播到了阿拉伯等地。黑火藥的重要組成成分，充當(dāng)氧化劑的硝酸鉀被阿拉伯人稱作“中國(guó)雪”，而波斯人覺(jué)得它的外表像鹽，取名為“中國(guó)鹽”。黑火藥傳播到歐洲之后，一直以發(fā)射藥的身份見(jiàn)證了槍械火炮技術(shù)的飛速發(fā)展。
然而，現(xiàn)代導(dǎo)彈和火箭上已經(jīng)難覓黑火藥的蹤影了。讓我們跳過(guò)黑火藥的千年統(tǒng)治時(shí)期，直接來(lái)到1884年。
這一年，法國(guó)工程師維埃利將硝化棉溶解在乙醚和酒精里，在其中加入適量的穩(wěn)定劑，成為膠狀物，并最終制成了世界上第一種無(wú)煙火藥。從此，各種槍炮都開始采用了硝化棉制成的火藥作為發(fā)射藥。
二戰(zhàn)期間，大名鼎鼎的喀秋莎火箭炮使用的BM-13系列火箭彈的推進(jìn)劑就采用了無(wú)煙火藥，或者更精確地說(shuō)是硝化纖維推進(jìn)劑。
硝化棉是一種纖維狀的物質(zhì)，很難做成固定形狀的彈體裝藥，人們用粘稠的硝化甘油做增塑劑和硝化棉混合在一起便形成了雙基推進(jìn)劑。在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，雙基推進(jìn)劑都是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的主要原料。
硝化棉和硝化甘油本身都既包含氧化劑的成分又包含燃燒劑的成分。硝化棉有點(diǎn)兒富燃（燃燒劑的成分多一些），硝化甘油則有點(diǎn)兒富氧（氧化劑的成分多一些）。
原本它們兩個(gè)的配合是比較理想的。但是，隨著人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的日益提高，這個(gè)經(jīng)典搭配能夠產(chǎn)生的比沖已漸漸不能滿足人們的需要（比沖是一個(gè)描述火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要物理量，其定義為單位重量的推進(jìn)劑能夠帶來(lái)的動(dòng)量的改變量。相同重量的燃料，比沖越高，能夠提供給的動(dòng)量越大。）
經(jīng)過(guò)小火箭的計(jì)算以及以若干型號(hào)為算例的驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：
中程彈道導(dǎo)彈的固體推進(jìn)劑的比沖每提高1秒，射程會(huì)增加70千米左右。對(duì)于洲際導(dǎo)彈而言，每1秒的比沖增量則可以增加約100千米的射程）。工程師們開始為提高推進(jìn)劑的比沖想盡辦法。
于是，被稱作“無(wú)煙火藥”的硝化棉及其搭檔硝化甘油，因?yàn)檫^(guò)于“單純”，清潔有余而霸氣不足，被人們拉下了固體推進(jìn)劑的王者寶座。于是一個(gè)復(fù)合推進(jìn)劑的時(shí)代到來(lái)了，一個(gè)向雙基推進(jìn)劑中加入各種添加劑的時(shí)代到來(lái)了，一個(gè)充滿著煙霧和火焰的時(shí)代也隨之到來(lái)了。
2.濃濃的煙霧來(lái)了
1936年，美國(guó)加州理工學(xué)院的馮·卡門博士（錢學(xué)森的導(dǎo)師）嘗試用無(wú)機(jī)氧化物高氯酸鉀和有機(jī)物瀝青制作推進(jìn)劑，開啟了復(fù)合推進(jìn)劑時(shí)代。隨后，各種高氯酸物開始成為推進(jìn)劑的主角。其中，容易制取、價(jià)格低廉的高氯酸銨是早期煙霧制造者的代表。
高價(jià)態(tài)的氯元素使其成了一種天生的強(qiáng)勁氧化劑。當(dāng)氧化劑的能力是如此之強(qiáng)時(shí)，人們對(duì)燃燒劑的選擇便開始隨意起來(lái)。理論上，任何能夠提供充足可燃的C、H、N等元素的物質(zhì)均可做高氯酸銨的搭檔。
以高氯酸銨為氧化劑的復(fù)合推進(jìn)劑一出現(xiàn)，就像一頭怒吼的雄獅那樣，急急地宣告著新推進(jìn)時(shí)代的到來(lái)。說(shuō)高氯酸銨像雄獅，并不僅僅因?yàn)槠浔入p基推進(jìn)劑有更大的比沖，力量更大，更是因?yàn)樗鼝?ài)張揚(yáng)的個(gè)性。高氯酸銨當(dāng)中的氯元素在燃燒的過(guò)程中與燃燒劑中的氫元素生成了氯化氫（HCl）。
這種很容易凝結(jié)的氣體（1體積的水能快速溶解500體積的HCl）能夠在火箭的尾跡上形成大量的白霧，當(dāng)火箭在較低溫度的高空或在較為潮濕的海面附近發(fā)射時(shí)，白霧更為壯觀，會(huì)形成長(zhǎng)矛狀或?qū)毸畹哪Y(jié)云。以高氯酸銨為氧化劑的推進(jìn)劑在賦予了火箭雄獅般的力量的同時(shí)，也帶來(lái)了如雄獅鬃毛般霸氣的騰騰霧氣。
燃燒劑的選取是比較隨意的，但是為了把藥柱制成各種幾何形狀，這種以高氯酸銨為氧化劑的推進(jìn)劑還需要充當(dāng)粘合劑的物質(zhì)。在導(dǎo)彈（或火箭）飛行的過(guò)程中，氣動(dòng)加熱會(huì)使殼體的溫度迅速升高，而固體藥柱的導(dǎo)熱性則遠(yuǎn)遜于金屬殼體。這樣的溫度差異使得藥柱與殼體之間產(chǎn)生了拉應(yīng)力，如果粘合強(qiáng)度不夠的話，藥柱可能會(huì)提前剝離。
高聚物在這時(shí)進(jìn)入了人們的視野。它們含有大量的C、H等元素，可以充當(dāng)燃燒劑，同時(shí)它們有良好的粘合性能和可塑性（高分子聚合物，俗稱為塑料）。這些多面手角色的聚合物深受火箭設(shè)計(jì)師的喜愛(ài)，以至于他們直接用聚合物的名字來(lái)命名各種復(fù)合推進(jìn)劑。
最早出現(xiàn)的高聚物粘合劑是聚硫橡膠（Thiokol）。她是上世紀(jì)二十年代末出現(xiàn)的明星產(chǎn)品，代表著高分子化學(xué)的重大進(jìn)步。早期型號(hào)的響尾蛇AIM-9B空空導(dǎo)彈、海神導(dǎo)彈的推進(jìn)劑都采用了這種粘合劑。
然而，名氣并不意味著實(shí)力。因?yàn)榫哿蛳鹉z中含有大量硫原子，其燃燒產(chǎn)物的分子量較大，能量較低，所以這種推進(jìn)劑早已被淘汰。促成其淘汰的另一個(gè)可能的原因是：在燃燒過(guò)程中，如果氧平衡沒(méi)能很好地實(shí)現(xiàn)，這種推進(jìn)劑會(huì)產(chǎn)生令人印象深刻的黑煙，就像是燃著了一堆廢舊汽車輪胎一樣（硫化橡膠本身就是輪胎的主要成分）。
隨后被摻入固體推進(jìn)劑當(dāng)中的高聚物有聚丁二烯（PB， 運(yùn)動(dòng)鞋鞋底的原材料）、聚氯乙烯（頗有名氣的PVC，用來(lái)制造電纜外皮、塑料門窗以及仿制皮革、籃球、足球等）、端羧基聚丁二烯（CTPB，涂料、電氣零件）、丙烯腈（其高聚物為腈綸，又稱合成羊毛）。
較為成功的高聚物粘合劑為端羥基聚丁二烯（HTPB），其能量較高，常溫和高溫下力學(xué)性能良好。時(shí)至今日，HTPB仍被用在多種型號(hào)（如響尾蛇AIM-9L、AIM-9J、小獵犬等戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈）的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上。即使是伯特魯坦設(shè)計(jì)的太空艙一號(hào)也采用HTPB作為其固液混合發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒劑。
采用HTPB推進(jìn)劑的雅典娜運(yùn)載火箭
上世紀(jì)70年代末出現(xiàn)的XLDB配方（三叉戟I型導(dǎo)彈上使用）和上世紀(jì)80年代的NEPE配方（三叉戟II型導(dǎo)彈上使用，這是一種部署在美國(guó)俄亥俄級(jí)核潛艇上的帶有核彈頭的戰(zhàn)略導(dǎo)彈）逐步提升著復(fù)合推進(jìn)劑的性能。以各種高聚物為粘合劑的復(fù)合推進(jìn)劑給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)高推力的同時(shí)，也帶來(lái)了各種顏色和味道的煙霧。
在復(fù)合推進(jìn)劑大行其道的同時(shí)，曾經(jīng)的最佳搭檔——由硝化棉和硝化甘油組成的雙基推進(jìn)劑也不甘落后。于是，一類叫做“改進(jìn)雙基推進(jìn)劑”的配方開始出現(xiàn)。高氯酸銨以及多種添加劑也被嘗試著加到了它們之間以提高推進(jìn)劑的性能。
在這些添加劑的嘗試中有兩項(xiàng)創(chuàng)新很值得一提。
一個(gè)是金屬被當(dāng)作燃料加到了推進(jìn)劑中。最常用的金屬添加劑是鋁。鋁粉的燃燒能加快推進(jìn)劑的燃燒速度，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖，還能使燃燒變得更加穩(wěn)定。鋁粉顆粒的直徑只有幾微米，燃燒時(shí)間極短，溫度很高，人們對(duì)其燃燒機(jī)理還沒(méi)有研究透徹。
但是，鋁粉提高發(fā)動(dòng)機(jī)比沖的效果十分明顯，因此很多推進(jìn)劑添加了大量的鋁粉（如三叉戟I型導(dǎo)彈的第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)中摻有19%的鋁粉）。這樣的推進(jìn)劑產(chǎn)生的煙霧中會(huì)有大量三氧化二鋁顆粒存在，形成特有的金屬煙塵。
另一個(gè)創(chuàng)新是高能炸藥被添加到了推進(jìn)劑當(dāng)中。環(huán)三亞甲基三硝胺（RDX，俗稱黑索金）、環(huán)四亞甲基四硝胺（HMX，俗稱奧克托金）是兩種出名的猛炸藥。5千克重的錘子分別從28厘米和33厘米高度落下的沖擊力即可分別引爆黑索金和奧克托金，可見(jiàn)這兩種炸藥的性格有多么暴烈。RDX和HMX的加入抹平了推進(jìn)劑和炸藥的區(qū)別。在燃燒過(guò)程中，猛炸藥提供了更多的熱量，提高了推進(jìn)劑的比沖。
3.火焰與煙霧的影響
固體推進(jìn)劑燃燒所產(chǎn)生的煙霧是人們?yōu)楦倪M(jìn)無(wú)煙火藥推進(jìn)劑的推力特性和燃燒穩(wěn)定性而產(chǎn)生的副產(chǎn)品。由于空空導(dǎo)彈多采用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，且與載機(jī)親密接觸的機(jī)會(huì)較多，所以煙霧這一副產(chǎn)品產(chǎn)生的副作用較為明顯。
早在上世紀(jì)60年代，空空導(dǎo)彈便已成為了空戰(zhàn)的主角。而實(shí)際上，在空空導(dǎo)彈開啟空戰(zhàn)新紀(jì)元的時(shí)候，很多技術(shù)細(xì)節(jié)都還沒(méi)有準(zhǔn)備好，很多問(wèn)題也是在導(dǎo)彈實(shí)際發(fā)射之后，才開始引起人們的注意。早期的空空導(dǎo)彈采用的是含有金屬顆粒的固體推進(jìn)劑。為了提高噴氣能量和燃燒穩(wěn)定性，這些推進(jìn)劑中的鋁粉含量甚至?xí)_(dá)到20%！
以美國(guó)空軍早期型號(hào)的AIM-9響尾蛇空空導(dǎo)彈為例，其Thiokol MK17固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的藥柱質(zhì)量為40公斤，在2.1秒內(nèi)燃盡。也就是說(shuō)，每一枚響尾蛇導(dǎo)彈的尾氣中都會(huì)有約8公斤的鋁元素。以每個(gè)鋁制易拉罐的平均質(zhì)量為14克來(lái)算，在戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)射了一枚響尾蛇導(dǎo)彈后的2.1秒鐘內(nèi)，將會(huì)面臨著以2000℃的高溫飛來(lái)的571個(gè)熾熱易拉罐的燃燒產(chǎn)物的轟擊。大量的高溫金屬氧化物顆粒（如三氧化二鋁）撲面而來(lái)，處在導(dǎo)彈尾流中的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬間吞進(jìn)大量煙霧后，工作狀態(tài)會(huì)急劇下降，甚至?xí)l(fā)生空中停車的事故。
即使戰(zhàn)斗機(jī)在飛行包線和發(fā)射時(shí)機(jī)上做出了考慮，這些高溫金屬氧化物顆粒對(duì)載機(jī)機(jī)翼、機(jī)身的侵蝕危害還是難以避免。早期的戰(zhàn)斗機(jī)在發(fā)射過(guò)空空導(dǎo)彈之后，往往能在導(dǎo)彈發(fā)射架導(dǎo)軌、機(jī)翼前緣、進(jìn)氣道、壓氣機(jī)前幾級(jí)葉片甚至垂直尾翼和水平尾翼上發(fā)現(xiàn)一些白色薄霧狀的沉積物。上圖這枚AIM-7麻雀空空導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的動(dòng)靜也不小。
除了影響載機(jī)安全、侵蝕機(jī)體外，金屬氧化物顆粒會(huì)嚴(yán)重干擾制導(dǎo)雷達(dá)。對(duì)于依靠載機(jī)發(fā)射的雷達(dá)波照射目標(biāo)來(lái)制導(dǎo)的半主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)空空導(dǎo)彈來(lái)說(shuō)，在載機(jī)雷達(dá)波束受干擾的情況下搜索目標(biāo)無(wú)異于在漆黑的夜晚打著電力不足的手電筒搜尋一只狡猾的野兔。
猛炸藥的氧化成分比起高氯酸銨要少得多，很多粘合劑來(lái)不及被氧化便被分解成氫氣等小分子排到尾氣中。通常，高氯酸銨推進(jìn)劑和添加了猛炸藥的推進(jìn)劑的尾跡都帶有白色煙霧，但是，前者的燃燒產(chǎn)物主要是二氧化碳、水蒸氣和氯化氫，后者的燃燒產(chǎn)物則主要是氫氣、氮?dú)夂鸵谎趸肌?br />
在發(fā)動(dòng)機(jī)噴流的高溫中，氫氣和一氧化碳會(huì)進(jìn)一步燃燒，產(chǎn)生十分明亮的“二次火焰”。這是兩種推進(jìn)劑的主要區(qū)別，也是某些火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾焰極其耀眼的原因。反導(dǎo)系統(tǒng)的早期預(yù)警衛(wèi)星偵測(cè)的便是戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的高溫尾焰，大量的金屬煙塵成了一個(gè)反射強(qiáng)光的鏡面。在二次火焰和金屬顆粒鏡面的共同作用下，導(dǎo)彈早早地就暴露了行蹤。
另外，有些推進(jìn)劑中添加的是鉛鹽、銅鹽或稀土鹽，其燃燒產(chǎn)物會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。在環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)的現(xiàn)代，這些呈細(xì)微顆粒狀排放到大氣中的高污染物質(zhì)將會(huì)遭到越來(lái)越多的抵制。
4.讓煙霧消失讓火焰隱形
通過(guò)分析，我們知道了壯觀的煙霧雖然能給人以強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊，但是在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，還是少一些煙霧與火焰為好。于是在上世紀(jì)90年代，人們對(duì)導(dǎo)彈提出了更高的要求。除了要有很高的精確性和可靠性外，還要成為“三無(wú)產(chǎn)品”：無(wú)紫外線、可見(jiàn)光和紅外線輻射，無(wú)可見(jiàn)煙霧，對(duì)導(dǎo)彈制導(dǎo)和通信信號(hào)無(wú)干擾。這些目標(biāo)看起來(lái)十分苛刻，被當(dāng)時(shí)一些軍事專家指責(zé)為多此一舉、難以實(shí)現(xiàn)、浪費(fèi)經(jīng)費(fèi)。但是經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，技術(shù)人員對(duì)消除煙霧甚至隱匿火焰的能力再也不容小覷和戲謔了。
1993年，北約航空研究與發(fā)展咨詢委員會(huì)（Advisory Group for Aerospace Research and Development，簡(jiǎn)稱AGARD）發(fā)布了兩份學(xué)術(shù)報(bào)告，把我們前文所說(shuō)的濃濃的煙霧和明亮的火焰分為四類：一次煙霧、二次煙霧、電磁輻射和微波衰減。
一次煙霧主要由金屬添加劑燃燒后形成的氧化物、氫氧化物和氯化物等難熔、微小、滾燙的顆粒和從發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層、襯里層等處剝離沖散的一些碎末組成，分布在發(fā)動(dòng)機(jī)噴口附近。
二次煙霧由推進(jìn)劑中的高氯酸銨和氟化物等成分燃燒后形成的氯化氫、氟化氫凝結(jié)成的小液滴形成。二次煙霧通常會(huì)在一次煙霧生成后的數(shù)秒鐘之后出現(xiàn)，呈白色、淡黃色。推進(jìn)劑尾焰的電磁輻射包含了波長(zhǎng)從100納米到幾毫米的廣泛頻段。
我們?nèi)庋劭吹降幕鸺囊酃饷⒅皇呛甏筌S遷過(guò)程的一個(gè)小片段。以1000℃以上的高溫噴出的火焰里蘊(yùn)含著復(fù)雜而劇烈的能級(jí)躍遷過(guò)程，使推進(jìn)劑尾焰成了一個(gè)很容易被各種儀器探測(cè)到的強(qiáng)信號(hào)源。微波衰減主要指導(dǎo)彈煙霧對(duì)微波信號(hào)的干擾作用。在制導(dǎo)和通信過(guò)程中起著重要作用的微波信號(hào)在通過(guò)推進(jìn)劑煙霧時(shí)會(huì)因反射、散射、衍射、折射等多種效應(yīng)被嚴(yán)重衰減。
在了解了煙霧的形成原理和擁有了消除煙霧的決心之后，消煙滅焰的行動(dòng)也就有了方向?？傮w來(lái)說(shuō)，減少三氧化二鋁和氯化氫的含量是消除煙霧的重頭戲，而抑制二次燃燒則是隱匿火焰的主要方法。
為了減少一次煙霧，金屬燃料在推進(jìn)劑中的比例越來(lái)越少，有些新型推進(jìn)劑甚至已實(shí)現(xiàn)了零金屬添加。另外，推進(jìn)劑的氧化劑與燃燒劑的比例被越來(lái)越精細(xì)的化工技術(shù)配合得恰到好處，早期因?yàn)槿紵煌耆a(chǎn)生的充滿炭黑的濃濃黑煙已較為少見(jiàn)。
為了減少二次煙霧，高氯酸銨等含有鹵素的推進(jìn)劑被逐步淘汰，以黑索金、奧克托金為代表的猛炸藥推進(jìn)劑逐漸取代了鹵素強(qiáng)氧化推進(jìn)劑的位置。為了減少尾煙對(duì)微波信號(hào)的干擾，推進(jìn)劑中來(lái)了新成員——電子捕捉劑。這是一類有著較高電離電位的親電子物質(zhì)，能夠管住尾煙里活潑好動(dòng)的大量自由電子，從而改善尾煙的電磁特性。
隨著“消煙行動(dòng)”的進(jìn)一步開展，新型推進(jìn)劑的配方層出不窮。
傳統(tǒng)的炭黑和石墨等只要氧氣足夠就能充分燃燒不產(chǎn)生煙霧的老老實(shí)實(shí)的燃燒物也被歸入了裁撤名單。燃燒性能更好的富勒烯（一種由60個(gè)碳原子組成的類似足球的分子）及其衍生物將成為新的推進(jìn)劑碳源。導(dǎo)彈拖帶的黑煙將會(huì)越來(lái)越淡。
出于對(duì)高氯酸銨推進(jìn)劑的眷戀，美國(guó)人遲遲未能下決心淘汰這種氧化劑。為了減少尾煙中的氯化氫含量以避免形成二次煙霧，他們把黑火藥當(dāng)中的“中國(guó)雪”請(qǐng)了回來(lái)。硝酸鉀的“親戚”——硝酸鈉被當(dāng)作一種凈化劑來(lái)使用，有效地減少了尾煙中氯化氫的含量。導(dǎo)彈拖帶的白霧將會(huì)越來(lái)越少。
讓耀眼的尾焰隱形并不是一件容易的事。燃燒本來(lái)就是一個(gè)劇烈的發(fā)光放熱過(guò)程。不過(guò)，對(duì)于抑制 “二次火焰”（大多因尾氣中一氧化碳和氫氣的燃燒而形成）的方法則早已有人開始了研究。早在1977年，瑞典波福斯公司（這是一家曾屬于諾貝爾的歷史悠久的軍工企業(yè)）就發(fā)現(xiàn)，在火藥中加入含有堿金屬離子的聚合物能夠明顯減少火炮炮口的火焰。
在這一理論的支撐下，硬脂酸鉀、山梨酸鉀等有機(jī)鉀鹽被加入到了推進(jìn)劑中。值得注意的是，這兩種鉀鹽都是食品添加劑。硬脂酸鉀在食品中起穩(wěn)定、增稠、乳化、蓬松和抗結(jié)的作用。山梨酸鉀則更為常見(jiàn)，幾乎在所有帶包裝食品的配料表中都可以看到山梨酸鉀這種防腐劑的名字。
導(dǎo)彈尾氣中的二氧化碳和水都是三原子分子，這一類分子的紅外特征十分明顯。一些空空導(dǎo)彈如較新型號(hào)的響尾蛇導(dǎo)彈采用了含有大量奧克托金的丁羥無(wú)煙推進(jìn)劑，使尾煙中的二氧化碳和水分子含量大幅降低，在紅外波段實(shí)現(xiàn)了尾焰的低探測(cè)性。
北約已宣布在新裝備的所有戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上都要至少達(dá)到“低煙”的水平。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，嘗試使用低煙推進(jìn)劑的哈姆反輻射導(dǎo)彈起到了良好的作戰(zhàn)效果。像“幼畜”這樣的1972年就裝備部隊(duì)的導(dǎo)彈已改用了升級(jí)型的推進(jìn)劑，減少了70%的煙霧。
時(shí)至今日，自1993年的煙霧標(biāo)準(zhǔn)提出以來(lái)，先進(jìn)的推進(jìn)劑技術(shù)已經(jīng)使紅外、紫外和可見(jiàn)光等電磁輻射減少90%以上，激光透過(guò)率提高27%以上，微波衰減更是從原來(lái)的10分貝減少到了0分貝。
現(xiàn)代導(dǎo)彈的推進(jìn)劑尾煙對(duì)制導(dǎo)雷達(dá)的波束（尤其是毫米波波段）的零干擾有望于近期實(shí)現(xiàn)并將快速普及。
5.結(jié)束語(yǔ)
從黑火藥的出現(xiàn)到各種現(xiàn)代固體推進(jìn)劑的蓬勃發(fā)展，期間經(jīng)歷了1200多年的歷史。其中有約1000年的時(shí)間是黑火藥的天下。黑火藥中的硫磺相對(duì)于硝酸鉀來(lái)說(shuō)是一種還原劑，相對(duì)于木炭來(lái)說(shuō)又是一種氧化劑，其特殊的物理特性又能夠把硝酸鉀和木炭良好地粘合在一起。這種設(shè)計(jì)思想一直影響到今天。在復(fù)合推進(jìn)劑中，很多成分也是擔(dān)任著這樣的多重角色。
在黑火藥之后，我們經(jīng)歷了無(wú)煙火藥的時(shí)代，繼而在無(wú)煙火藥的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的硝化棉和硝化甘油雙基推進(jìn)劑成了最早的實(shí)用固體火箭推進(jìn)劑。為改進(jìn)推進(jìn)劑的性能，塑料、橡膠、金屬粉末、猛炸藥等各種工業(yè)添加劑輪番登場(chǎng)。上圖為印度PSLV運(yùn)載火箭發(fā)射時(shí)的場(chǎng)景。該火箭的第一級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)為一個(gè)巨大的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。詳見(jiàn)小火箭的公號(hào)文章《誰(shuí)說(shuō)三哥不行？印度火箭給中國(guó)公司發(fā)過(guò)衛(wèi)星》。
高氯酸銨推進(jìn)劑的壯觀煙霧代表了一個(gè)人類撼天動(dòng)地的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。隨后，精細(xì)化的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)使得由于供氧不平衡而產(chǎn)生的大量游離炭粒而形成的濃濃黑煙成為歷史。
金屬添加劑和鹵素氧化物的減少使得白煙也越來(lái)越淡。原本用于食品行業(yè)的添加劑成功地抑制了二次燃燒，讓尾焰也不再那么耀眼了。
美國(guó)青睞的CL-20推進(jìn)劑在工藝性能、力學(xué)性能、比沖、低特征信號(hào)等方面的優(yōu)勢(shì)較為明顯。歐洲的“潔凈火箭計(jì)劃”推出了新型的HNF配方。俄羅斯白楊-M彈道導(dǎo)彈采用了名為ADN的高能低可探測(cè)推進(jìn)劑。各國(guó)都在大力發(fā)展擁有更高性能、更少煙霧、更小火焰的固體推進(jìn)劑。
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