有道是：上古发明千万万，燧人取火谱新篇。要说起什么发明是人类从远古时期便已开始使用，并且持续影响人类社会发展直到如今的，那可能非“玩火”莫属。火帮助我们把食物做熟、给我们带来温暖和光明，帮助我们烧开水、给我们带来电力，甚至还让没有翅膀的人类获得了战胜地心引力的能力。这便是人类航空航天时代的基础——喷气式发动机。
在各种各样的喷气式发动机中，固体燃料火箭发动机是我们日常就能够经常接触，并从小玩到大的物件。虽然现在有各种禁放限放规定，但放鞭炮的习俗却已经深深的融入到了中国人的基因里。但你对这种源自中国的火箭发动机真的了解吗？其中又蕴含着哪些喷火的奥秘呢？
流动的火
火在中文世界里有很多意思，本文所要讨论的火，指的是燃烧过程中散发光和热的现象，从能量转化角度来说，是能量释放的一种方式，燃料里蕴含的化学能通过燃烧这种剧烈的氧化反应释放出来。火并不是我们已知的气态、固态、液态中的一种，而是等离子态的，它其实并不能全部被看见。我们能看得见的“火”，其实是火焰，它是火的灼热发光的气化部分，也就是燃烧时物理和化学现象的可视化表现。可是光有火还并不足以让火箭和导弹飞起来，否则我们就会看到打火机、燃气灶满天飞的奇景。
想要让火能够飞起来，我们可以跟随老祖宗的智慧，尝试从跟火有关的汉字里面找找灵感。火字字形来自于火焰形状的象形，两个火放一起是炎，三个火放一起叫焱（读艳），四个火放一起则是燚（读亿）。这么多火加到原来只有一个火占据的空间里会发生比燃烧更剧烈的反应，那就是爆炸，爆炸会在极短时间内释放出大量气体，这些气体带有极高的能量，在巨大的压力差作用下会高速流动起来，飞行的条件也就诞生了。这就是所谓的量变引起质变，一本畅销的航天科普读物里就把火箭发射比作一次受控的巨型爆炸。所以想要火箭飞，就需要让很多的火以很快的速度流动起来，这就是火箭发动机需要做的工作。
固体火箭发动机整体结构十分简单
在九年义务教育里，我们学到过燃烧的三要素，那就是可燃物、助燃物和着火源。在喷气式发动机中，专门进行燃烧的场所叫做燃烧室，燃烧三要素在这里汇聚并持续燃烧形成源源不断的火焰，在燃烧室的头部一般会至少有一个点火器，顾名思义，它是用来点火的，也就是引发燃烧的着火源，火箭发动机上的点火器一般都使用电火花引燃一小团炸药的工作方式。在燃烧室的尾部是喷管，从后面看过去是一个喇叭口的形状，它是让火焰加速流动的装置，燃烧室里持续大量产生气体积聚的高压会推着之前产生的火焰顺着喷管的通道加速喷出。喷气式发动机虽然结构和体型上千差万别，但是从原理和基本组成上却都大差不差。
明亮的火
世间物质千千万，能够遇火而燃甚至是爆炸的不在少数，但是能在没有氧气的环境下燃烧的东西你知道几个？虽然听起来有点反智，但是这种东西其实我们并不陌生，那就是鞭炮。拆开鞭炮的纸筒，会倒出一些黑色粉末，中国人都知道这是火药，是中国古代四大发明之一。火药之所以被称为火药，是因为它配方中的主要成分硝石和硫磺在中医学中都是可以入药的，在我国唐代的典籍中就记载了硝石、硫磺和木炭粉末混合后会发火并且会产生大量烟气，火药便因此得名。虽然使用黑火药来增加射程的火器在我国明代便已成建制大规模使用，但其能量密度偏低加上粉末状不容易均匀装填的特性，限制了使用的上限。
英国的康格里夫火箭被认为是现代火箭弹的鼻祖，它以黑火药为推进剂，在英国对外的历次侵略战争中都留下了痕迹，甚至被写进了美国国歌
固体比液体更方便存贮、即需即用的特点，让使用固体燃料的火箭发动机在军事斗争中始终占有重要位置。对黑火药的改进一刻也没有停止过，现代化学的飞速发展，为固体推进剂配方的发展插上了腾飞的翅膀。黑火药由三种主要配方硫、硝、炭的粉末混合而成，很难实现成分与密度的完全均匀，如果能让推进剂实现单一物质里既有燃烧剂又有氧化剂还能像溶液那样组织均匀，黑火药的缺点就可以一并解除，于是单基推进剂便出现了。
单基就是推进剂是单一基体的意思，往燃烧室里装填前，先把单基推进剂溶解到容易挥发的溶剂里，浇筑到燃烧室后等待溶剂挥发掉，就得到了均质的单一物质的推进剂。为了提升能量密度，后来又干脆把溶剂换成了另外一种单基推进剂，让一种单基推进剂溶解到另外一种单基推进剂里，这就是双基推进剂，能量密度大大提升。最常见的双基推进剂是硝化纤维与硝化甘油的组合，现在也在广泛使用。
航天飞机的助推火箭使用固体燃料，明亮的火焰让使用液氢为燃料的主发动机火焰显得黯淡无光
化合物推进剂的问题是为了得到化合物，其中必须要有一些不好烧或者不能烧的物质，这也是固体推进剂相比于液体推进剂比冲低的原因，想要提升固体推进剂的比冲，就需要在推进剂中加入更多容易燃烧而且化学成分单一的可燃物或者是氧化剂。诸如镁、铝等化学性质活泼，高温下会产生剧烈燃烧反应的金属粉末被加入到大分子物质的粘接剂中形成更多元的推进剂配方组成，这便是复合推进剂。由于推进剂内加入了金属，其燃烧时会发出灼目的强光，因此使用复合推进剂的火箭发动机工作时，火焰会格外的明亮。
受控的火
固体不像气体和液体那样可以流动，所以固体燃料只能预先装填到燃烧室里，需要工作的时候点燃，并且一口气烧完。这让固体火箭发动机既不能像液体发动机那样通过阀门来自由调节火焰的大小，也不能像液体发动机那样把燃料输送进发动机壳体里去带走危害发动机工作安全的燃烧热量。结构上简单的固体火箭发动机必须要在其它地方想办法来控制火焰。
从古至今，不管哪个时代，固体火箭发动机试验都是个十分危险的活计
由于火箭发动机内燃烧产生的高温普遍高于金属的融化温度，所以与火焰直接接触的部分比如喷管内壁，经常使用耐高温性能更好的陶瓷基复合材料，这种材料硬度高、耐高温性能好，不易变形。但固体推进剂的燃烧产物一方面会在喷管上形成堆积，一方面又会像风蚀现象那样对喷管内壁面形成剥离和烧蚀，这两项都会影响到喷管型面从而引起流动性能的变化，这对发动机正常工作是有害的，必须要加以研究并控制。由于燃烧过程进行的十分迅速，很多金属粉末还来不及在发动机里烧完便被喷了出去，他们与空气中的氧气接触会继续剧烈燃烧，造成局部空气中的含氧量急剧降低，所以固体火箭发动机试验过后或者是固体火箭发射后，一段时间内试验区是不允许进入的。
为了有效控制燃烧的速度并且保护燃烧室壳体，推进剂药柱现在一般都设计成从中心向外燃烧的形式，这种燃烧形式的燃烧区域比较大，燃速较快，相比于端面燃烧会更快形成推力。另外，也在燃烧室金属壳体和燃烧区之间增加了用推进剂构成的温度梯度区，可以更好的保护发动机的金属外壳，所以应用十分广泛。过于明亮与灼热的火焰对于总想要隐秘攻击的导弹来说是不太有利的，所以导弹用的固体火箭发动机推进剂正在向燃烧后少烟甚至无烟以及降低红外信号特征方向发展。虽然近年来固体火箭发动机少有跨代式的技术发展，但加强对火的控制本领方面却是一直在进步的。
为了保证燃烧面积变化尽量平稳，固体装药上开的中心孔一般都不是圆形
人类一天离不开对火的依赖，固体火箭发动机与火的故事就一天不会讲完。
文：熊本炎
编辑：何之婧
审核：王晚琳
