为什么固体发动机火药要由人工雕刻?
为什么固体发动机火药要由人工雕刻?
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不是所有国家都需要人工雕刻的,请知晓。
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欧洲宇航局研制的世界上最大的固体火箭P120C质量达到了151.9吨,长度11.7米、火箭直径3.4米,所装固体推进剂重量达146.3吨,体积与试验台下面那辆蓝色8轮卡相比的确是一个庞然大物!
固体火箭发动机与液体火箭发动机的燃料成分是不一样的,它的制造工艺很复杂,其工艺流程是:原料混合→低速搅拌→药柱浇铸→低温烘烤→脱模,脱芯→整体探伤→药柱微修型,这么一个大概其的制造程序。
首先要将一个带有内芯的模具吊装进浇铸地坑当中,再将已经混合好的燃料(很浓稠的浆状物)倒入模具当中,这个程序有点像咱们在蛋糕店看到的用面粉、巧克力粉、砂糖、奶油…混合后再倒进蛋糕模具的样子,不过固体燃料的“浆状物”搅拌可不能像做蛋糕那样随意搅拌,搅拌机不能高速转动,这不但让原料混合不均匀,还会增加粘稠度,给浇铸带来困难…浇铸完成后要静置一段时间,使浆状物形成挤压将浇铸过程中带进的空气挤出去。
那么,浇铸时为啥还要放置内芯呢?固体火箭的药柱和我们业界外人士想象的不一样,并不是一根实心儿的圆柱体它的内里形状是很复杂的,要根据火箭射程的远近、飞行速度来控制燃料的燃烧时间和产生的推力,而实心圆柱形药柱不但燃烧不充分,重量也大形成了“死重量”降低了火箭的有效载荷…所以,就不能是一个实心的圆柱体,需要放置一个所需内部形状的芯子。
固体火箭发动机的药柱内部通常都是:星形、雪花晶体形…等等,复杂的几何形状,这需要非常精密的测算。
药柱浇铸完成、静置排气后要进入到低温烘烤使其固化,为啥用低温而不是高温呢?因为药柱是易燃易爆品温度太高容易引起自燃,并且烘烤温度太高会让燃料柱内外固化不均匀,产生细微的拉裂裂纹,必须要低温(只有50℃),使药柱内外受热均匀,在同一时间固化。
《大国工匠》里就接着介绍了固体火箭发动机药柱的修型,图片上橙色箭头所指灰色部分就是固体发动机药柱。
药柱烘烤完成后要脱芯后进入探伤工序,也就是使用超声波探伤仪和放大镜对药柱的每一平方毫米进行仔细的检查,不能放过一道细微的裂纹、一个细小的气泡,否则极可能导致火箭在发射时发动机出现燃烧不均匀导致发射失败。
那么具体到给药柱修型是怎么回事呢?因为药柱在烘烤和脱内芯后,会产生金属铸造那样的毛刺,需要将这些毛刺去掉,并且浇铸和烘烤后药柱要有余量,不能按照设计的尺寸去铸造,比如说药柱直径是2米,铸造后毛坯可能是2.01米,多的这个0.01米就是余量,需要修型来完成设计的此次,这就于金属铸造是一样的,毛坯件是需要精加工。
有看官会问:为啥不用工业加工母床或者工业机器人去加工?就是因为固体火箭发动机的药柱不是干硬状的,它要在配方当中加入一些弹性剂,目的就是防止在自然环境下干裂,既然是有弹性就会有韧性,工业机器人在加工时自动补偿达不到加工精度要求。
另外,凡是电器设备就会产生静电,如果引起火花会让固体燃料燃烧,图片上就是用固体燃料做燃烧试验,一个火柴盒大小体积(30克)燃烧非常剧烈,还产生了上千℃的高温…如果重达几十、上百吨的燃料柱被点燃整个厂房就保不住了,还会造成巨大的人员伤亡,所以必须要由高级技师手工修型才行。
图片里这个高级技师就是我国固体火箭发动机燃料柱的修型师,他叫徐立平,他的工作就是给每一根燃料药柱进行“精雕刻”。
由于要求将铸造后药柱毛坯进行精加工,得到设计的尺寸,必须要修型,也就是将药柱内部的复杂几何形状进行修边处理,要将部分多余的燃料切掉。
但手工切削队精度要求非常的高,设计误差要<0.5毫米...但徐立平师傅的切削加工精度为0.2毫米,0.2毫米是个什么概念?也就一张A4纸的厚度,由人在有韧性的材料上切削出这样的精度,实在是叹为观止!而像徐师傅这样的大国工匠全国只有20个,仅这一型技术就说明了大直径固体火箭发动机的技术难度。
运载火箭或者洲际导弹的固体发动机,是要把几十吨甚至几百吨重的物体发射到几百公里高度的大气层之外,这可不是说一说就能实现的!需要对发动机的进行上千次试验,对发动机的设计与制造、金属材料…全面试验才能最后定型,固体燃料柱也是要经过许许多多次的试验、才能去整体加工,装备到发动机内部,再安装上运载火箭或者洲际导弹上面,所以制造发动机的固体药柱是很不简单的事情。
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机械加工不好控制静电问题,固体燃料药柱对静电、摩擦、火花非常敏感,掌握不好就爆炸,所以才用人工进行最后的微整,这个固体燃料微整的问题放在任何一个国家都做不到完全机械化作业。有句俗话说的好:东西是死的,人是活的。
先说下固体燃料的问题。固体燃料从字面就可以理解,燃料是以固体形式存在的,他的氧化剂和燃烧剂都是固体,与之对应的是液体燃料。固体燃料发动机常见于弹道导弹和运载火箭的助推器,少部分火箭整体都采用固体火箭发动机。其优点就是方便储存,可以随时拉出来发射,相比于需要几十分钟加注燃料的液体火箭来说,固体火箭的反应速度大大提高,对于战略反击有很大的意义。
关于固体燃料为什么需要雕刻的问题,我们先从固体燃料的成型说起。固体燃料的形状并不像大家想象的那样只是一根圆棒,它的燃烧参数是靠燃料截面形状去控制的,截面形状不同燃烧的时间、快慢、瞬时推力都是不一样的,下图就是不同截面时的推力随时间变化曲线。火箭要想打的精准就必须控制好燃料截面,所以在浇筑的时候需要不同的模具插芯,等燃料固化后再真空抽出插芯。然而浇筑这个工艺本身就不可能直接一次到最终尺寸,需要修整。在燃料凝固过程中会产生局部收缩,而固体燃料要求一体化程度非常高,是不允许进行补充浇筑的,所以浇筑的时候通常都是过量浇筑的,浇筑完之后再修掉多余部分。
关于为什么需要人去雕刻而不是直接用机器,固体燃料对于静电、摩擦、火花都是非常敏感的。被誉为“雕刻火药的大国工匠”的国家高级技师徐立平回忆过:在2001年的时候,一名工友因为刀具碰撞到火箭金属外壳产生火花导致燃料燃烧,当场牺牲。在1989年某型发动机试车时出现连续失败,为了找到原因他们必须挖开燃料,为了防止引起强摩擦,他们每次只能用木铲或铜铲挖几克,最后用了两个月挖了300公斤固体推进剂。由此可见固体燃料是非常危险和敏感的,而机器是个死物,它不能完全避免静电、摩擦这些问题,所以这个时候人反而更可靠。下图为美国某型火箭固体燃料修整,可以看到也是靠人用特殊的工具进行修整的
而且浇筑完的固体燃料情况比较复杂,每个位置需要需要修整的程度和力度都不一样,用固定的设备和固定的程序去做修整反而很呆板,不能灵活解决每个位置的问题。一旦机械加工在某处修整的不合适出现较大的误差,那么燃烧过程就不符合预期,火箭飞行就出先比较大的误差。所以在这种情况人的直接介入反而使得修整过程更为灵活和精准。当然了,这需要修整师的高超技艺和丰富的经验。
机器这个东西虽然省事省力,但是某些情况较为复杂的问题并不能很好的解决。在机加工上有个工种叫“钳工”,他就是为了解决机械设备无法完成的工作。用人工并不是一个落后的表现,相反一些高精密工作需要的人的介入。
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谢谢邀请。
个人理解题主这个问题应该包括两个层次:首先是为什么要固体火箭发动机的火药为什么要雕刻,其次是为什么要人工雕刻。
我们知道,固体火箭发动机的装药实际上是一种火药,而且会浇筑或者压伸成一定形状。这是因为固体火箭发动机不同于炸弹,要求的不是在一瞬间把所有装药都烧完,而是以一定的速度和烈度进行可控的、稳定的、持续地燃烧。如果装药是粉末状,将迅速燃烧发生爆炸,所以必须做成固体形状,让装药只能在一个表面上燃烧。而且,一般来说,固体火箭发动机根据导弹或者火箭的任务要求,对于燃烧时间、燃烧速度、产生推力或者二次点燃的时机都有苛刻的要求,所以必须让装药的形状和燃烧面的外形符合特定的要求。而无论浇筑还是压伸,都很难让装药的外形和燃烧面完全符合需求,所以必须用雕刻来进行调节和修整。
那么,为什么一定要用人工来雕刻呢?这是因为固体燃料药柱雕刻如果稍有不慎就会引起燃烧爆炸,用机械设备解决不了产生静电火花的难题,所以必须采用人工进行微雕。一般固体发动机药面精度的最大误差为0.5mm,由于燃料火药有很强的韧性,甚至还混有粗糙的颗粒,所以雕刻药柱的力道必须做到精准无误;因为贴合固体燃料发动机设计尺寸的药面精度是决定火箭或导弹进入预定轨道与达到精准射程的关键。目前世界上所有的固体燃料发动机中的药柱整形部分都不能完全用机械来代替手工操作。
所以,至少到目前为止,最后的手工雕刻修整这个工序还没有办法省略。
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在解答这个问题之前我们先来了解一种新型火箭固体发动机燃料添加剂:环四亚甲基四硝胺(C4H8N8O8),它世界上是现今军事上使用的综合性能最好的炸药。
可能很多读者对“环四亚甲基四硝胺”这个名称既觉得绕口,又有一种陌生的感觉,但是只要说出它的别称,相信很多人就会有恍然大悟的感觉——奥克托今。
奥克托今炸药的爆速达到了9124米/秒,爆热为5673千焦/公斤(密度为1.9克/立方厘米时),做功能力162%,猛度150%左右,是目前人类能够制造出来威力最大的合成炸药。
它的特点是机械敏感度非常非常高,实验中对25厘米高的10公斤落锤撞击感度为100%,对摆角为90度的摩擦感度也为100%,敏感程度仅次于硝化甘油。
我们可以这样来理解奥克托今炸药的敏感程度:
1、撞击感度,实验中取0.02克该型炸药置于实验装置里,选用10公斤的砝码安装在刻度为25cm的落锤装置高度上,然后释放砝码,当数次实验中这个力度足以引发0.02克该型炸药发生爆炸时,即得到“25厘米高的10公斤落锤撞击感度为100%”的结论;
2、摩擦感度,我国常用摩擦摆装置来测定火药的摩擦感度,该装置由本体机构、油压机、摆锤三部分组成,实验中取0.02克该型炸药置于摩擦摆内,用摆锤从不同角度摇摆摩擦炸药体表,当数次90度摆锤的摩擦触发炸药爆炸时,即可得到“摆角为90度的摩擦感度也为100%”的结论。
当然,除了机械感度较高以外,奥克托今炸药的爆发点也表现得非常“敏感”,也就是说高温就能触发爆炸,经国内外大量实验证明,它的爆发点为327℃,也就是说用打火机烧都能引起爆炸,是一种彻头彻尾的暴脾气高能炸药稍不留神就会用它超过9000米/秒的爆速表达它的“不满”。
▼下图为用于测试炸药机械感度的落锤感度仪,奥克托今炸药只需要10公斤25厘米落锤撞击就会爆发,比它更敏感的则是硝化甘油,测试中2公斤10厘米落锤感度100%!它们都可以作为火箭发动机固体燃料的添加剂。
那么问题就来了——奥克托今炸药跟人工雕刻固体火箭发动机火药又有什么关系呢?
答案就是奥克托今炸药能够提升固体火箭发动机的推力,通过添加一定比例的奥克托今炸药以后,相同体积的固体火箭发动机药柱可大幅提升火箭射程。
举个例子:巨浪-2型潜射弹道导弹火箭发动机所使用的固体燃料为CTPB型复合推进剂(端羟基聚丁二烯),主要成分是硝酸钾、硝化纤维、铝粉等,添加剂为硝化甘油炸药,比冲理论值为2200牛·秒/千克,所以该型导弹射程只有8000公里,只能勉强算得上洲际弹道导弹。
巨浪-3型则采用了奥克托今炸药做为添加剂的固体燃料,即XLDB型改性复合推进剂,主要成分是43%的奥克托今、8%的端羟基聚丁二烯、19%的铝粉等,理论比冲达到2646牛·秒/千克,射程达到了1万公里。
可见奥克托今炸药在固体火箭发动机燃料上的应用解决了导弹、火箭长期以来比冲值难以获得突破的问题,这也是现代导弹外形尺寸越来越紧凑,而射程则越来越远的原因。
问题在于奥克托今炸药性能虽然好,但是实在是太敏感了,在加工药柱时一个不小心就有可能引起重大事故,因此添加奥克托今的火箭固体燃料是绝对不能使用机械加工的,只能以人工手工雕刻的形式进行加工。
机械加工总是存在着许多潜在隐患,比如说静电、摩擦、振动等等,万一在加工过程中出现了物体打击、坠落、漏电等问题,那么药柱就会被激发,从而引起大爆炸。
确保万无一失的方法就是手工雕刻,操作过程是这样的:雕刻师傅在进入厂房前需要释放身体静电→穿戴劳保用品、检查工器具→查看图纸和加工设计要求→检查铸造成型的药柱是否存在缺陷→按照设计要求切削药柱→验收完工成品药柱。
整个流程中要求雕刻师傅动作要非常非常温柔,不管是工器具的取用还是下刀的动作都要十分轻盈,所以从事这个行业的人大多性格温和且偏向于内向,性子越慢越好。
▼下图为正在使用刻刀小心翼翼切削含奥克托今炸药的火箭发动机固体推进剂燃料的师傅,从事这个行当的人不仅要手稳,更要心稳。
综上所述我们可以得出这样的结论
第一、火箭发动机火药要由人工雕刻的原因是固体燃料中含有对机械、温度感度非常高的高能炸药奥克托今,只有人工才能确保加工过程万无一失。
第二、机械加工存在着物体打击、摩擦、静电、漏电等风险,而这些风险中的任何一种都有可能引起奥克托今炸药的爆发,所以往往性能越好的固体燃料越危险,无法实现机械加工。
结语
长期以来,我国的火箭固体推进剂技术一直落后于西方国家,主要原因就是始终难以掌握奥克托今的合成技术,这也是在过去我军装备的各型号导弹、火箭尺寸总是比西方国家大的原因。
现在就连普通百姓都开始公开讨论火箭固体推进剂的人工雕刻问题了,这说明我国在奥克托今高能炸药上的研究和应用已经获得重大突破,军队装备的导弹、火箭将会一改之前“傻大粗”的形象。
▼下图为各种含奥克托今炸药的固体火箭发动机燃料柱,对奥克托今炸药技术的成功应用将会大幅提高我军装备性能。
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