塑料火箭与宇宙航行

宋焕成

(一)

在我们的太阳系里，现在有一颗红色的人造行星正在遨游，这是我们伟大的盟帮——苏联对人类征服宇宙空间的伟大贡献。苏联成功地发射宇宙火箭说明了人类已进入征服宇宙的新时代。但要实现有人的宇宙航行还有许多的问题需要我们去解决。

继宇宙火箭的发射，还要发射到月球上去的自动控制火箭以及发射到火星或太阳系的其它行星上去的火箭。为了使人们能够亲自去考察，除了必须研究宇宙航行条件对动物生命活动的影响外，同时还要研究自动控制火箭由星际返回地球与着陆的问题。人们必须在这方面有了足够的资料与实验数据后，才能考虑与设计带人的火箭，飞向高空及其它星球和别的恒星系。从这些简单问题中可以看出，摆在宇宙航行面前的任务还有多么艰巨的研究工作要去完成。

要解决宇宙航行问题，首先攻克三个堡垒。这就是第一、第二及第三宇宙速度。攻克这样的堡垒需要有高效能的燃料。根据计算，当火车时速为七十公里时，第一宇宙速度(约每秒8公里)是火车速度的407倍，所以第一宇宙速度所代表的能量是火车最高速度的16万6千倍；而第二宇宙速度(约每秒11.2公里)所代表的能量为33万倍；第三宇宙速度(约每秒16.7公里)所代表的能量为74万倍。可以想像，发射具有这样速度的火箭，它的燃料的能量是多么惊人。通过苏联宇宙火箭的发射，人类已经攻克了前两个堡垒。从苏联科学家就宇宙火箭的发射所发表的谈话中可知，今天苏联已有能力发射具有第三宇宙速度的火箭，速度的最后一个堡垒也将被克服。除速度外，还必须使发射出的火箭有足够大的体积与重量。另外还必须解决当火箭回大陆时所遇到的温度问题。在火箭进入稠密的大气层时，由于大气的摩擦所产生的热是惊人的。火箭头部的温度可达到5000－10000℃，因此必须寻找出能适应这种高温的材料。

火箭的重量愈大和发射高度愈高，所需要的推力就愈大，对火箭结构材料强度的要求就愈高。宇宙航行要求寻找具有高强度的结构材料。解决星际航行的理论和实践是一个复杂的任务。除以上所述外还必须有效地解决地球物理、天文物理、控制系统、机械设计、计算技术和无线电技术等一系列的近代科学技术问题。

(二)

我们现在仅从材料方面来谈一下解决宇宙航行器的重量、速度、强度、温度与成本等有关的问题。

为了解决宇宙航行，必须有效的减轻发射火箭的重量。如果我们能从重量方面减轻一些，而能完成同样的任务，这将有极大的意义。例如将一个四级火箭的最后一级减轻一公斤，则第一级可能减少一吨。如把地面设备与其它辅助性设备也计算在内这将又是一个多么大的数字。因之除从结构与内部系统减轻重量外必须从材料方面想办法。我们需要这样一种材料，它强度不比金属小而比重却能大大地小于金属。这样的材料在今天已经可以根据不同的需要进行选择。如塑料，它们的比重最小的只有0.01，大多数在1.2到1.43之间。它们的强度最大的可达到每平方公分6000公斤以上。下表列出夹玻璃布塑料与金属的强度和重量的比较。

某单位试制成功的玻璃布塑料比重1.8克/公分3，抗拉强度80.0公斤/公厘²，强度/比重44.4。从上表可以看出塑料是适于做火箭结构材料的。

能有效的解决材料的重量与强度问题就可以有效的解决速度问题。当然速度问题还可以从燃料方面解决，这儿不拟多谈。速度对宇宙航行是决定性的因素。只有获得更高的速度，才能缩短星际航行的时间，才使星际航行有实际意义。比如我们用第三宇宙速度到火星上去需要2.3个月，到木星上去1.1年，到土星要2.5年，到天王星2.8年，到海王星13年，到冥王星19.2年。

第二个问题是温度问题。差不多所有的材料当温度升高后强度都会大大地降低。这就必须解决在高温下材料的强度问题。宇宙飞行所碰到的温度是几千度甚至达到一万度，在这样的情况下，一切现有的金属材料将在瞬时蒸发掉，根本不能采用。即使是在近年来研究的碳化铬和碳化钽的陶瓷也只能耐热4100℃，这与10000℃比起来还是相差很多的。

以弹道洲际导弹为例，当它起飞时，速度并不太大(与下降时比较)，因之它的温度不太高。随着速度的增加，其表面温度由于空气摩擦生热，也逐渐增加。在大气层中其速度与表面温度有如下的关系：

这一温度问题即是航空界长期以来感到头痛的所谓“热障”问题(严格说来“热障”的含义，包含由于空气动力学原因产生的“空气动力热”和由于太阳的辐射以及飞行器内部装置的发热体传出的“辐射热”。但此地我们讨论的主要是“空气动力热”)。由速度而引起的壳体表面温度的变化不仅使蒙皮强度降低了，同时也引起了内部机构与操纵系统的失灵。

因此解决这样问题的材料必须是耐高温的而且是热的不良导体。

目前各国对金属材料进行着大量的研究工作，并已取得了不少的成绩。如钨的研究，各种高温合金的研究与金属陶瓷的研究等。有的国家不惜昂贵价值准备采用铼作导弹涂料。也有国家打算用铂、铬、金等。但金属材料的传热这一缺点是较难克服的，因此就只能依靠增加材料或绝热层的厚度。这就给结构与重量带来了不好的影响。

从非金属材料看，一般说来它是热的不良导体。如塑料的导热系数是0.69～970×10^-4卡/公分秒度仅为金属的百分之一。由于其导热性不良，已成功的应用到火箭的绝热方面。有的塑料如酚醛环氧补强塑料还具有良好的耐高温性能。有的塑料可用作火箭发射机的燃烧室和尾喷管。

塑料除以上的耐高温和重量轻而强度高的优良特性外，还有另一些对于发展宇宙航行有益的性能，例如有优良的电绝缘性能、防腐性能、防辐射性能和气密性能等。这些性能对于宇宙飞行的控制导航系统，动力和辅助系统等都是不可缺少的。

最后还应指出，塑料还有制造方法简单与成本低廉的优点。拿导弹的试制过程来说，从试制开始到最后成批生产中间要经过一系列的试飞。完成这些试飞项目通常要发射导弹达200－500次。这样，所消耗的材料与人力是惊人的。如能大量采用塑料则对节约资金颇为有利。因为塑料制造火箭不像金属那样复杂而原料也较便宜。假如用金属作一段长30公尺、直径5公尺的火箭壳体，可想到它的机械加工、热加工、气密性与联结都是很困难的。相反的如采用塑料就简单的多了。有的国家曾用塑料制造成批的容积为225－2275公升的付油箱，成本比铝制的低25－30%。我们曾用低压法进行过部件成型试验，结果也证明了采用塑料(特别是成批生产时)制造部件，对材料工艺、成本和工时都是很有利的。

(三)

塑料用于飞行器的结构方面只有很短的历史。但由于它具备了不少优异的性能，所以世界各国都投入了很大的力量从事研究与实验工作，并且取得了不少的成绩。

现在我们将塑料耐热性能归纳如下几点：

1.酚醛—硅氧塑料能在260℃下长期使用；

2.聚酯塑料能在205℃下长期工作，在1650℃下能短时期的工作；

3.环氧基塑料能在260℃下长时期工作，在1650℃短期工作；

4.酚醛基塑料能在260℃下长期工作，在2480℃下短期工作；

5.硅氧基塑料能在315－426℃下长期工作，在2760℃下短期工作；

6.长期使用在482℃下的硅氧层压材料正在研究中；

7.有希望把含硼塑料在247－482℃的温度下使用。

8.以石棉作填料的酚醛和环氧基塑料可以在347－371℃下长期使用，在2760℃下能坚持1－2分钟。

我们曾对酚醛—硅氧基的玻璃纤维补强塑料进行耐高温实验，在300℃下保持1－3分钟它的抗拉强度极限仍有3200公斤/公分²。按现象分析我们估计仍有较大的潜力可以发挥。

从以上的数据可以预言，用塑料来解决火箭由空间返回大陆的温度问题是有希望的。要注意到上面所提到的时期都是以分钟、小时为单位，如果以秒为单位就更能大大提高塑料的耐热性能。可见塑料应用在火箭上的优越性是无可非议的。关于全塑料火箭也展开过研究工作，这种火箭的制成，将会大大促进人类的宇宙航行事业。

塑料应用在火箭结构方面的缺点是刚度不好。这个问题必须从塑料的填料与火箭的结构方面来解决。如以石棉为填料，就有可能满足应用到导弹的主翼、尾翼与头部锥体的要求。从结构方面来提高火箭结构刚度的途径也是有的。

近年来由于塑料性能的改善，已有不少导弹和火箭的构件和零件，各机翼、进气口、壳体等，都可用塑料制造。

当然在目前塑料还存在着不少的缺点。例如在刚度方面还应大大提高，否则应用到直径大的壳体时将有困难。在工艺方面如何保证材料的均一性以及如何检定这方面的质量也还有很多的问题。比如常用的玻璃纤维补强塑料，它的工艺过程简单说是玻璃布的下料与处理，树脂的浸涂，烘干与折堆，低压成型及后处理，最后是装配与修饰等。由于工序多部件大故均一性是不易控制的。另外塑料零件、组合件和部件等的联结，目前已有螺栓，胶接，铆接或胶接与铆接的混合联结等方法。这些方法有一定的成效，但对如何保证强度与气密性方面还不能令人满意。当然还会由于接合的不当而引起结构、空气动力与工艺上的问题。我们曾利用混合接合作过一些摸索。在装配方面由于塑料制件的准确度较差也引起一些问题。在模具的设计制造方面也还存在着问题，特别是在大部件时困难更大。对以上的问题还应进行更多的研究。

塑料应用到火箭，并进一步协助解决宇宙航行问题也像其它新发现的材料一样，在初期总是不被重视的。但由于人类不断的实验研究和实践，塑料已从金属材料的代用品而变为不能被代替的材料。今天在解决宇宙航行材料的问题上它肯定会放出惊人的光彩。