本文是小火箭经典导弹与火箭系列文章第4季的第1篇。在之前的文章中，小火箭较为详细地分析了液体火箭发动机以及使用液体火箭发动机的土星-5号、N-1宇宙神等多种火箭与导弹。在本季，我将以固体火箭发动机的综述文章开篇，继续咱们的导弹与火箭之旅吧！

　　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。

　　当推进剂被点燃之后，恐怕很难有其他东西能比那个场面更能吸引人们的眼球了。看过采用固体推进剂的导弹发射的人们往往会对导弹后面拖带的烟雾留下深刻印象。

　　细心的人们或许还能看出这些烟雾的不同：有的是黑色的浓厚烟雾，像燃着了一堆潮湿的木柴；有的则是浓浓的白色烟雾，像拉长了一团白色的云彩；还有的则没有那么壮观，淡淡的烟雾很不明显，甚至连靠近发动机尾部的火焰也没有那么耀眼。造成这些区别的原因何在呢？产生哪种烟雾的推进剂会代表未来的发展方向呢？是霸气的浓烟滚滚还是低调的青烟一缕呢？

　　能够成为推进剂的材料有很多，凡是能够在没有外界氧化剂存在的情况下发生不依赖于外力的持续燃烧，并能在燃烧期间产生大量高温气体分子或固体喷流的材料均有这个潜力。总体来说，燃烧是一种剧烈的快速放热的氧化还原反应，因此推进剂自身必须要同时含有氧化剂和充当还原剂的燃烧剂。

　　最早的固体推进剂是被称为中国四大发明之一的黑火药。以硝酸钾、硫磺、木炭混合而成的黑火药早在公元808年便已有文献记载，并在北宋时期用来推动城防部队的火箭。公元1240年左右，黑火药的秘密被传播到了阿拉伯等地。黑火药的重要组成成分，充当氧化剂的硝酸钾被阿拉伯人称作“中国雪”，而波斯人觉得它的外表像盐，取名为“中国盐”。黑火药传播到欧洲之后，一直以发射药的身份见证了枪械火炮技术的飞速发展。

　　然而，现代导弹和火箭上已经难觅黑火药的踪影了。让我们跳过黑火药的千年统治时期，直接来到1884年。

　　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，人们用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。

　　硝化棉和硝化甘油本身都既包含氧化剂的成分又包含燃烧剂的成分。硝化棉有点儿富燃（燃烧剂的成分多一些），硝化甘油则有点儿富氧（氧化剂的成分多一些）。

　　原本它们两个的配合是比较理想的。但是，随着人们对发动机性能要求的日益提高，这个经典搭配能够产生的比冲已渐渐不能满足人们的需要（比冲是一个描述火箭发动机性能的重要物理量shadowrocket安卓版安装包，其定义为单位重量的推进剂能够带来的动量的改变量。相同重量的燃料，比冲越高，能够提供给的动量越大。）

　　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70千米左右。对于洲际导弹而言，每1秒的比冲增量则可以增加约100千米的射程）。工程师们开始为提高推进剂的比冲想尽办法。

　　于是，被称作“无烟火药”的硝化棉及其搭档硝化甘油，因为过于“单纯”，清洁有余而霸气不足，被人们拉下了固体推进剂的王者宝座。于是一个复合推进剂的时代到来了，一个向双基推进剂中加入各种添加剂的时代到来了，一个充满着烟雾和火焰的时代也随之到来了。

　　高价态的氯元素使其成了一种天生的强劲氧化剂。当氧化剂的能力是如此之强时，人们对燃烧剂的选择便开始随意起来。理论上，任何能够提供充足可燃的C、H、N等元素的物质均可做高氯酸铵的搭档。

　　这种很容易凝结的气体（1体积的水能快速溶解500体积的HCl）能够在火箭的尾迹上形成大量的白雾，当火箭在较低温度的高空或在较为潮湿的海面附近发射时，白雾更为壮观，会形成长矛状或宝塔状的凝结云。以高氯酸铵为氧化剂的推进剂在赋予了火箭雄狮般的力量的同时，也带来了如雄狮鬃毛般霸气的腾腾雾气。

　　高聚物在这时进入了人们的视野。它们含有大量的C、H等元素，可以充当燃烧剂，同时它们有良好的粘合性能和可塑性（高分子聚合物，俗称为塑料）。这些多面手角色的聚合物深受火箭设计师的喜爱，以至于他们直接用聚合物的名字来命名各种复合推进剂。

　　然而，名气并不意味着实力。因为聚硫橡胶中含有大量硫原子，其燃烧产物的分子量较大，能量较低，所以这种推进剂早已被淘汰。促成其淘汰的另一个可能的原因是：在燃烧过程中，如果氧平衡没能很好地实现，这种推进剂会产生令人印象深刻的黑烟，就像是燃着了一堆废旧汽车轮胎一样（硫化橡胶本身就是轮胎的主要成分）。

　　上世纪70年代末出现的XLDB配方（三叉戟I型导弹上使用）和上世纪80年代的NEPE配方（三叉戟II型导弹上使用，这是一种部署在美国俄亥俄级核潜艇上的带有核弹头的战略导弹）逐步提升着复合推进剂的性能。以各种高聚物为粘合剂的复合推进剂给发动机带来高推力的同时，也带来了各种颜色和味道的烟雾。

　　一个是金属被当作燃料加到了推进剂中。最常用的金属添加剂是铝。铝粉的燃烧能加快推进剂的燃烧速度，增加发动机的比冲，还能使燃烧变得更加稳定。铝粉颗粒的直径只有几微米，燃烧时间极短，温度很高，人们对其燃烧机理还没有研究透彻。

　　另一个创新是高能炸药被添加到了推进剂当中。环三亚甲基三硝胺（RDX，俗称黑索金）、环四亚甲基四硝胺（HMX，俗称奥克托金）是两种出名的猛炸药。5千克重的锤子分别从28厘米和33厘米高度落下的冲击力即可分别引爆黑索金和奥克托金，可见这两种炸药的性格有多么暴烈。RDX和HMX的加入抹平了推进剂和炸药的区别。在燃烧过程中，猛炸药提供了更多的热量，提高了推进剂的比冲。

　　固体推进剂燃烧所产生的烟雾是人们为改进无烟火药推进剂的推力特性和燃烧稳定性而产生的副产品。由于空空导弹多采用固体火箭发动机，且与载机亲密接触的机会较多，所以烟雾这一副产品产生的副作用较为明显。

　　早在上世纪60年代，空空导弹便已成为了空战的主角。而实际上，在空空导弹开启空战新纪元的时候，很多技术细节都还没有准备好，很多问题也是在导弹实际发射之后，才开始引起人们的注意。早期的空空导弹采用的是含有金属颗粒的固体推进剂。为了提高喷气能量和燃烧稳定性，这些推进剂中的铝粉含量甚至会达到20%！

　　以美国空军早期型号的AIM-9响尾蛇空空导弹为例，其Thiokol MK17固体火箭发动机的药柱质量为40公斤，在2.1秒内燃尽。也就是说，每一枚响尾蛇导弹的尾气中都会有约8公斤的铝元素。以每个铝制易拉罐的平均质量为14克来算，在战斗机发射了一枚响尾蛇导弹后的2.1秒钟内，将会面临着以2000℃的高温飞来的571个炽热易拉罐的燃烧产物的轰击。大量的高温金属氧化物颗粒（如三氧化二铝）扑面而来，处在导弹尾流中的喷气式战斗机的发动机在瞬间吞进大量烟雾后，工作状态会急剧下降，甚至会发生空中停车的事故。

　　除了影响载机安全、侵蚀机体外，金属氧化物颗粒会严重干扰制导雷达。对于依靠载机发射的雷达波照射目标来制导的半主动雷达制导空空导弹来说，在载机雷达波束受干扰的情况下搜索目标无异于在漆黑的夜晚打着电力不足的手电筒搜寻一只狡猾的野兔。

　　猛炸药的氧化成分比起高氯酸铵要少得多，很多粘合剂来不及被氧化便被分解成氢气等小分子排到尾气中。通常，高氯酸铵推进剂和添加了猛炸药的推进剂的尾迹都带有白色烟雾，但是，前者的燃烧产物主要是二氧化碳、水蒸气和氯化氢，后者的燃烧产物则主要是氢气、氮气和一氧化碳。

　　在发动机喷流的高温中，氢气和一氧化碳会进一步燃烧，产生十分明亮的“二次火焰”。这是两种推进剂的主要区别，也是某些火箭发动机的尾焰极其耀眼的原因。反导系统的早期预警卫星侦测的便是战略导弹发射时的高温尾焰，大量的金属烟尘成了一个反射强光的镜面。在二次火焰和金属颗粒镜面的共同作用下，导弹早早地就暴露了行踪。

　　另外，有些推进剂中添加的是铅盐、铜盐或稀土盐，其燃烧产物会对环境产生污染。在环保意识逐渐增强的现代，这些呈细微颗粒状排放到大气中的高污染物质将会遭到越来越多的抵制。

　　通过分析，我们知道了壮观的烟雾虽然能给人以强烈的视觉冲击，但是在实际应用的过程中，还是少一些烟雾与火焰为好。于是在上世纪90年代，人们对导弹提出了更高的要求。除了要有很高的精确性和可靠性外，还要成为“三无产品”：无紫外线、可见光和红外线辐射，无可见烟雾，对导弹制导和通信信号无干扰。这些目标看起来十分苛刻，被当时一些军事专家指责为多此一举、难以实现、浪费经费。但是经过近20年的发展，技术人员对消除烟雾甚至隐匿火焰的能力再也不容小觑和戏谑了。

　　1993年，北约航空研究与发展咨询委员会（Advisory Group for Aerospace Research and Development，简称AGARD）发布了两份学术报告，把我们前文所说的浓浓的烟雾和明亮的火焰分为四类：一次烟雾、二次烟雾、电磁辐射和微波衰减。

　　一次烟雾主要由金属添加剂燃烧后形成的氧化物、氢氧化物和氯化物等难熔、微小、滚烫的颗粒和从发动机绝热层、衬里层等处剥离冲散的一些碎末组成，分布在发动机喷口附近。

　　二次烟雾由推进剂中的高氯酸铵和氟化物等成分燃烧后形成的氯化氢、氟化氢凝结成的小液滴形成。二次烟雾通常会在一次烟雾生成后的数秒钟之后出现，呈白色、淡黄色。推进剂尾焰的电磁辐射包含了波长从100纳米到几毫米的广泛频段。

　　在了解了烟雾的形成原理和拥有了消除烟雾的决心之后，消烟灭焰的行动也就有了方向。总体来说，减少三氧化二铝和氯化氢的含量是消除烟雾的重头戏，而抑制二次燃烧则是隐匿火焰的主要方法。

　　为了减少一次烟雾，金属燃料在推进剂中的比例越来越少，有些新型推进剂甚至已实现了零金属添加。另外，推进剂的氧化剂与燃烧剂的比例被越来越精细的化工技术配合得恰到好处，早期因为燃烧不完全而产生的充满炭黑的浓浓黑烟已较为少见。

　　为了减少二次烟雾，高氯酸铵等含有卤素的推进剂被逐步淘汰，以黑索金、奥克托金为代表的猛炸药推进剂逐渐取代了卤素强氧化推进剂的位置。为了减少尾烟对微波信号的干扰，推进剂中来了新成员——电子捕捉剂。这是一类有着较高电离电位的亲电子物质，能够管住尾烟里活泼好动的大量自由电子，从而改善尾烟的电磁特性。

　　传统的炭黑和石墨等只要氧气足够就能充分燃烧不产生烟雾的老老实实的燃烧物也被归入了裁撤名单。燃烧性能更好的富勒烯（一种由60个碳原子组成的类似足球的分子）及其衍生物将成为新的推进剂碳源。导弹拖带的黑烟将会越来越淡。

　　出于对高氯酸铵推进剂的眷恋，美国人迟迟未能下决心淘汰这种氧化剂。为了减少尾烟中的氯化氢含量以避免形成二次烟雾，他们把黑火药当中的“中国雪”请了回来。硝酸钾的“亲戚”——硝酸钠被当作一种净化剂来使用，有效地减少了尾烟中氯化氢的含量。导弹拖带的白雾将会越来越少。

　　让耀眼的尾焰隐形并不是一件容易的事。燃烧本来就是一个剧烈的发光放热过程。不过，对于抑制 “二次火焰”（大多因尾气中一氧化碳和氢气的燃烧而形成）的方法则早已有人开始了研究。早在1977年，瑞典波福斯公司（这是一家曾属于诺贝尔的历史悠久的军工企业）就发现，在火药中加入含有碱金属离子的聚合物能够明显减少火炮炮口的火焰。

　　在这一理论的支撑下，硬脂酸钾、山梨酸钾等有机钾盐被加入到了推进剂中。值得注意的是，这两种钾盐都是食品添加剂。硬脂酸钾在食品中起稳定、增稠、乳化、蓬松和抗结的作用。山梨酸钾则更为常见，几乎在所有带包装食品的配料表中都可以看到山梨酸钾这种防腐剂的名字。

　　导弹尾气中的二氧化碳和水都是三原子分子，这一类分子的红外特征十分明显。一些空空导弹如较新型号的响尾蛇导弹采用了含有大量奥克托金的丁羟无烟推进剂，使尾烟中的二氧化碳和水分子含量大幅降低，在红外波段实现了尾焰的低探测性。

　　北约已宣布在新装备的所有战术导弹上都要至少达到“低烟”的水平。海湾战争时期，尝试使用低烟推进剂的哈姆反辐射导弹起到了良好的作战效果。像“幼畜”这样的1972年就装备部队的导弹已改用了升级型的推进剂，减少了70%的烟雾。

　　从黑火药的出现到各种现代固体推进剂的蓬勃发展，期间经历了1200多年的历史。其中有约1000年的时间是黑火药的天下。黑火药中的硫磺相对于硝酸钾来说是一种还原剂，相对于木炭来说又是一种氧化剂，其特殊的物理特性又能够把硝酸钾和木炭良好地粘合在一起。这种设计思想一直影响到今天。在复合推进剂中，很多成分也是担任着这样的多重角色。

　　高氯酸铵推进剂的壮观烟雾代表了一个人类撼天动地的时代已经到来。随后，精细化的设计和生产使得由于供氧不平衡而产生的大量游离炭粒而形成的浓浓黑烟成为历史。

　　金属添加剂和卤素氧化物的减少使得白烟也越来越淡。原本用于食品行业的添加剂成功地抑制了二次燃烧，让尾焰也不再那么耀眼了。

　　自北约于1993年提出“苛刻”标准以来，固体推进剂在近20年内的发展已远远超越了过去1000多年的积累，将来的固体推进剂能带给我们多少惊喜呢？小火箭和大家一起拭目以待。