浅析发展固体火箭技术改善人类生存环境.docx

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浅析发展固体火箭技术改善人类生存环境

浅析发展固体火箭技术，改善人类生存环境

　　固体火箭技术始于中国，迄今已有千余年历史。

千百年来，人们用它制造各种各样的焰火玩具、武器、运动器材、运载工具。

固体火箭的体积从筷子大小发展到直径达６．６米的庞然大物。

　　近半个世纪以来，固体火箭技术得到突飞猛进的发展，其用途也越来越广。

起初，人们只着眼于战争的需要，力图以固体火箭发动机取代液体火箭发动机。

在这样的背景下，美国大力发展固体导弹，于是从“民兵”到ＭＸ、“侏儒”，从“北极星”到“三叉戟”，以及众多的战术导弹，几乎全是固体的。

我们的邻国印度在固体导弹方面的发展非常快！

　　由于固体火箭的高可靠性和价格上的优势，所以也为民用单位所青睐。

在航天运载工具方面，美国除了“侦察兵”、“大篷车”以及机载空射的“飞马座”等是全固体以外，一些着名的运载工具如“德尔它”、“大力神”和航天飞机都采用了固体助推器。

作为固体运载工具，日本和印度的发展势头也很大，日本已研制成功直径２．５米的３级固体运载火箭，印度的极地轨道卫星运载火箭的固体火箭发动机直径高达２．８米。

　　随着科学技术的突飞猛进，给固体火箭技术提供了新的发展契机。

除了航天运载外，固体火箭还可以在高空探测、人工影响天气作业、灭火、石油开采、科学研究等诸多方面发挥巨大作用。

　　廉价的高可靠性运载工具

　　由于固体火箭具有结构简单、零部件少、可靠性高、维护和操作简便，所以适宜制造小型全固体运载火箭和大型运载火箭的助推器。

　　全固体运载火箭已有许多成功先例，如美国的“侦察兵”、“大篷车”，日本的Ｍ系列火箭，一般低轨道运载能力为１００～３００公斤，日本的Ｍ－５火箭达到２０００公斤，我国的“开拓者”火箭达到３００公斤。

据统计，现已发射的小型卫星不下数十颗，低轨道载荷都小于３００公斤，尤以１００公斤左右的最多。

因此，发展小型全固体运载火箭是有市场的。

　　液体芯级固体助推的运载火箭方案这是世界大多数国家采用的模式，如美国的“大力神”３Ｃ、３４Ｄ等，欧洲的阿里亚娜系列火箭，日本的Ｎ、Ｈ火箭等。

我国曾用固体火箭发动机给ＣＺ－４和ＣＺ－２Ｅ运载火箭做过几种方案。

　　顶级发动机一般与有效载荷联成一体，要求尺寸小，而固体发动机的体积比冲大，同样冲量的发动机，固体的要比液体的体积小；尤其用作航天器变轨或入轨的发动机多呈球形，更只有固体发动机最合适。

我国的科学卫星“东方红一号”、通信卫星“东方红二号”和气象卫星“风云一号”、“风云二号”和返回式卫星都成功采用了固体顶级发动机。

　　火箭基组合循环推进系统

　　火箭基组合循环发动机，集中了吸气式发动机的高比冲和固体火箭发动机的高推重比的优点，使结构设计一体化，具有可重复使用、成本低等显着特点。

因此，是未来空间运输的首选推进装置。

　　空间控测用固体火箭

　　探空火箭是在近地空间进行环境探测和科学试验的火箭。

利用探空火箭结合卫星探测手段，可以开展对气象学、天文学、宇宙物质的演化、微重力、天体射线、高纯度物质和生物制取等诸多方面的科学研究。

具体可以分为气象火箭、生物火箭、地球物理火箭、微重力火箭等。

　　气象火箭虽然有气象卫星探测风云，但是对于近地的空间环境探测还需借助气象火箭，或者将二者的探测情况结合起来进行研究。

气象火箭主要探测高空大气的热力参数和动力学参数，为航空器、航天器的起飞和降落提供准确的高空大气资料。

中国幅员辽阔，地形复杂，气候多变，气象火箭对各地当地天气预报极为重要。

随着经济增长，对于气象火箭的需求将会越来越多。

　　其它探空火箭由于新兴科学的需要，很多科学试验需在一定高度的空间进行，天文学、生物学、医药学、新材料的许多科学试验也需要在一定高度的空间进行，一些用于航天的新技术也需要首先在探空火箭上进行考核。

随着科学技术的发展和经济的发达程度，对于各种探空火箭的需求将会大大增加。

　　根据国内外的发展趋势，各种探空火箭均以固体火箭为最佳方案。

日本的气象火箭全部采用固体火箭，而且形成了系列。

我国在这方面也先后研制成Ｔ－７，ＨＰ－２、３、４、５，ＺＮ－１、２、３和ＴＹ－３、４等探空火箭。

今后我们还应下大气力开展各种探空火箭的研究，形成系列化，以适应不同用户的需求。

　　在人工影响天气方面的应用

　　天气和气候与人类的生存和生活息息相关。

千百年来，人们盼望着能够“呼风唤雨”，这表达了人类对美好生活的向往和驾驭自然的欲望。

人类为了生存，为了创建美好的生活环境，需要发展生产，需要有一个良好的自然环境。

这就提出了人工影响天气的设想，今天，已经有一部分实现了，有的还在探索研究中。

比如人工增雨、防雹、消雾，已经开展了一些工作，并取得一定成效。

由于天气现象的尺度范围大小不一样，有几千公里的、几百公里的，还有几十乃至几公里的。

今天，人们的能力还只限于影响小尺度范围的天气，如雨、雪、雹、雾等；而对于热带风暴和台风那样的中尺度天气都还无能为力，除技术问题外，还涉及相关国家之间的社会舆论、政治和经济问题。

　　无论是防雹、降水和消雾的机理，都是建立在云和雨的微物理过程和动力学过程上的，主要方法是对云播撒催化剂以改变其微物理过程和动力学过程。

播云的工具主要有飞机、高炮、火箭。

飞机播云成本太高，长时间或多次播撒有效数量的催化剂有困难，在结冰或非常颠簸的条件下飞行很危险。

一般国家多采用高炮或火箭播撒催化剂，相对于飞机播撒要便宜得多，而从效益／成本比来说，火箭比高炮更加划算。

　　增雨防雹火箭由于人工降水与人工防雹都采取播云方法，根据不同云体，同一火箭既可用于增雨也可用于防雹，因此叫做增雨防雹火箭。

我们已成功地研制出ＷＲ系列火箭，取得良好的社会和经济效益。

为了扩大应用范围，提高播撒效率，我们还需要射得更高、更远的火箭，增加播撒时间的平直飞行段，一是增加发动机冲量，二是采用简易控制系统，三是增加催化剂的用量和工作时间。

此外，在安全方面进一步开展研究，一方面提高现有火箭的发射、飞行和回收安全性；另一方面研究新的残骸处理方法。

这些问题同样适用于下面的火箭。

　　消雾火箭雾是交通的最危险的“敌人”，它会造成运输业的生命、财产和收入方面巨大的损失。

机场上的雾会延误飞机起飞和降落，乃至取消航次，所造成的损失数以十万、百万元计。

雾天的公路是造成车祸的罪魁祸首。

大雾同样威胁着水上运输。

消雾火箭是利用火箭播撒人工冰晶或吸湿性粒子来达到消雾目的的。

首先，最迫切的是机场和港口消雾。

但是，雾有冰雾、过冷雾、暖雾，其消雾机理是不一样的；雾的厚度也不一样，从几百米到１０００米。

相对来说，消除冷雾较容易，消除暖雾困难些。

对于不同类型、不同厚度的雾，需要与气象部门共同研究，采用不同的催化剂和播撒方法消雾。

　　引雷火箭雷暴是一种带电的天气现象，它伴有雷鸣和闪电。

雷暴放电会引起飞机导航和雷达系统故障，以及引起飞机局部损坏，造成空难；闪电会伤及人畜、破坏建筑物、引起森林火灾。

随着大型高速飞机和巨型运载火箭的问世，在云中人工引起雷电的现象越来越多。

如前苏联雅克－４０飞机领航员座舱的整流罩曾被闪电击穿一个洞；又如美国“阿波罗－１２号”飞船发射后曾两次被闪击，而且是在没有出现自然闪电中遭闪击的。

为了发射安全，利用引雷火箭触发闪电以减小云中电流强度。

引雷火箭拖曳着一根长约１０００米的细金属丝，把触发的雷暴引入地面。

当然，这需要解决云体的放电问题，例如，云体生命期内电荷分布，一次放电的耗电量，以及云体起电机制的再生能力等。

只有弄清这些问题，才能保证触发云体放电后，放心发射运载火箭而不会遭到雷击。

　　消雷火箭消雷是制止雷暴放电。

通过对雷暴播撒金属箔，以抑制闪电放电。

金属箔的电晕放电造成空气电离，空气电离增大了云体的电导率，这样云体就保持低于引起闪电所需的电场值。

消雷火箭就是携带金属箔到雷暴中播撒的火箭。

金属箔是一种一定长度的金属丝或者是经过金属化处理过的塑料纤维，把它们置于播撒器内，播撒器位于火箭前面适当部位。

当火箭进入雷暴区时，打开播撒器，将金属箔抛撒到云中。

　　在石油开采方面的应用

　　固体推进剂制造高能气体压裂弹利用快慢两种固体推进剂制成多次脉冲式燃烧药柱的燃气发生器，放入进行第二次或第三次开采的井中，置于需要压裂的油层储油层部位，点燃固体推进剂，产生高温、高压气体并迅速膨胀，通过井筒液体传压，使油层岩石受力。

当压力超过油层中原始裂缝释放能力和岩石本身的弹性应力时，岩石立刻起裂，形成多种裂缝，在靠近井的地带与自然裂缝连通，构成裂缝网络，增大储油层部位的泄油面积，使油水井增产。

此技术已得到应用，很有发展前途。

　　利用固体推进剂技术热采石油据估计，世界石油储量中，稠油占据一大半，而现在稠油的产量仅占石油总产量的５％，若干年后，人们只能开采稠油。

开采稠油需要降低油的黏度，降低黏度的方法有二：

向稠油中加降凝剂；加热。

对于加热开采，可以考虑采用固体推进剂燃烧生成的热来加热稠油。

一是设计井下蒸汽发生器，即在井下燃烧固体推进剂，利用其燃烧生成的高温燃气加热由地面注入的水，使之达到３５０摄氏度的高温蒸气，以其加热稠油；二是在井上设计一燃气发生器，燃气经压缩空气稀释、冷却并产生二次燃烧，最终冷却至３５０摄氏度左右的高温气体，如一氧化碳、二氧化碳、氮气和水蒸气等，由井筒输入井下，加热稠油。

　　固体火箭钻井在类似黄土高原结构的地层采油，可以应用固体火箭取代机械钻井，或作为机械钻井的一种补充手段。

７０年代北京航空学院曾在某油田进行过试验，技术可行，只是需要解决安全问题。

　　固体火箭技术的其它应用

　　火箭灭火对于消防人员难以进入的火区，诸如油田、油库、化学库、化工厂、森林、草场、高层建筑等着火区，可以利用火箭携带灭火弹实施远程定向灭火。

　　火箭架线例如在两山之间架线，可以利用火箭携带电线，将电线从一座山发射至另一座山上。

　　火箭救生当船、舰无法靠岸时，可以利用火箭将绳索发射至岸边或码头，牵引船、舰。

　　火箭测桩基利用火箭产生冲击力，测量桩基振动波形，判断桩基质量。

该技术也可用于测量建筑物的抗振能力。

　　其它应用固体火箭技术还可以用于地矿勘探、测量桥梁抗振能力、打捞沉船，以及制造各种用途的气体发生器。