發動機殼體材料技術
固體火箭發動機殼體材料從早期采用玻璃纖維,發展到有機芳綸纖維複合材料,再到采用高強中模碳纖維複合材料。由於材料性能越來越好,發動機殼體特征係數等指標不斷改進。美國“民兵-3”導彈的三級發動機殼體采用高強度玻璃纖維/環氧樹脂製成。“三叉戟-2/D5”導彈的第一、二級發動機殼體由石墨纖維/環氧樹脂複合材料製成,第三級發動機殼體采用凱芙拉49纖維/環氧樹脂。目前俄“白楊-M”導彈的三級發動機均采用俄羅斯自己生產的APMOC有機纖維殼體,APMOC纖維是世界上性能最高的芳酰胺纖維之一,它具有高比強度、高比模量和優異的熱性能。
推進劑技術
目前國外常用的固體推進劑有聚丁二烯丙烯腈(PBAN)、端羥基聚醚(HTPB)和端羥基聚丁二烯(CTPB)。美國戰略彈道導彈的推進劑從第一代的液氧和煤油液體燃料推進劑發展到現在的硝酸酯增塑聚醚複合推進劑/丁二烯、丙烯酸、丙烯腈三元共聚物的推進劑,比推力逐步增大,燃料效率和燃燒速度逐步提高,助推段時間短、射程遠。例如“民兵-3”導彈為三級固體導彈,第一級推進劑為PBAN,第二級和第三級均采用CTPB。俄羅斯陸基戰略彈道導彈從液體推進劑開始逐步發展成固體推進劑。目前,俄羅斯陸基戰略彈道導彈有的型號仍使用液體推進劑,如SS-18和SS-19;有的型號采用固體推進劑,如SS-25、SS-27等。潛射戰略導彈從液體推進劑發展到一種型號同時使用固體和液體推進劑,最新型的“布拉瓦”導彈使用了速燃固體推進劑,主動段飛行速度更高。戰術彈道導彈已從最初的液體推進劑發展到目前的固體推進劑。
其他發動機技術
此外,動力係統的技術還涉及絕熱層技術、噴管技術、推力矢量控製技術等。目前,美國“民兵-3”導彈的飛行姿態在一級發動機工作時靠4個擺動噴管控製。第二級發動機工作時,導彈的俯仰和偏航控製靠液體二次噴射裝置(在噴管擴張段界麵沿周向平均布置4組噴射孔)噴射氟利昂液體進行控製,滾動控製靠發動機兩側的1對孔排出的熱燃氣進行控製。第三級發動機采用潛入式固定單噴管,依靠液體二次噴射裝置噴射過氯酸鍶液體控製導彈的俯仰和偏航,由燃氣發生器的1對切向燃氣噴嘴噴出的燃氣控製彈體滾動。在發動機前端裝有先進的推力終止係統,即在前封頭的同一截麵,沿周向設有6個排氣孔,用管道將它們與發動機前裙上的排氣口相連接而形成反向推力噴管,屆時可根據需要打開這6個孔,以抵消推力。“三叉戟-2/D5”三級發動機的噴管均為潛入式柔性接頭全軸擺動單噴管,喉襯為三維編織碳/碳整體結構。俄羅斯的“白楊-M”發動機采用單個柔性噴管,碳/碳多維編織喉襯,碳酚醛/高矽氧酚醛布帶纏繞擴散段。
2030年前外軍彈道導彈動力技術的發展水平
發動機殼體材料技術
從發動機殼體材料的發展過程可以看出,這項技術的發展水平與一個國家複合材料工業和高分子化學材料工業的發展水平密切相關。從玻璃纖維開始,複合材料殼體以其高比強度、高可靠性、成型工藝好等優點,在戰略、戰術用大型火箭發動機領域已得到廣泛應用,對減輕殼體材料結構做出了重要貢獻。從最早使用金屬材料到使用玻璃纖維/環氧樹脂殼體,發動機結構質量減輕了20%~50%;從使用玻璃纖維殼體到采用凱芙拉/環氧樹脂殼體,結構質量又減輕了35%;從使用凱芙拉/環氧樹脂殼體到采用高強度中模碳纖維/環氧樹脂殼體,結構質量又減輕了25%~35%。2030年前,隨著比強度、比模量更強的高性能纖維和樹脂基材料的開發和改進,複合材料殼體的係統容積特性還將進一步提高,在發動機燃燒室壓力不斷提高的情況下,發動機的結構重量有望不斷減輕。