液体火箭是怎么设计出来的？

液体火箭有划代研究，火箭结构材料有划代研究，箭体结构总体设计是否可以划代？

首先说“箭体结构总体设计”，这里指关于箭体结构的总体布局，不涉及使用什么结构材料，也不涉及箱体等是采用光筒、还是网格加筋结构等。

再说“是否可以”，它有两层意思：是否有必要，以及是否可行。

有必要。划代就是分类，所有的学习和研究，最终都指向一件事情，就是对事物进行分类，让知识从混乱变得有序。

可行。分类就是逻辑，找到火箭箭体结构总体设计中的核心要素和历史线索，逻辑就清晰了。这个核心要素就是箭体结构内未利用空间。

由于技术同源，文中不再区分火箭还是导弹。

一、第一代1：由飞机油箱演变而来的贮箱结构

贮箱是液体火箭重要组成部分。V-2导弹贮箱由飞机油箱发展而来，它把贮箱安放在主体结构的内部，成为悬挂式贮箱。

图 V-2导弹剖面图

由于V-2导弹需要再入大气层，因此采用了钢外壳。到了1947年，美国海军研究实验室研制海盗火箭时，就采用了铝制外壳。

二、第一代2：承力式贮箱结构

1946年，康瓦尔公司的飞机结构专家博萨特意识到与V-2相比，可以从三个方面节省重量：一是使用铝合金材料，二是使外壳具有双重功能，用外壳保存推进剂，从而省掉悬挂贮箱，最后他意识到可以用氮气对贮箱增压以支撑外壳。经设计，它的尺寸是V-2的2/3，但干重只有V-2的1/8，效率提高了5倍有余。这就是MX-774导弹的原型，美国首次尝试研制洲际导弹，虽未成功，但博萨特竭尽全力获得的经验最终被证明是无价之宝，它最终促成了宇宙神导弹的开发。

无独有偶，1947年，科罗廖夫开始了SS-2导弹的研制，这是继SS-1导弹（V-2仿品）之后，苏联自行研制的第一枚导弹，它采用承力式铝合金贮箱代替了承力式外壳+悬挂贮箱结构。我国东风一号导弹（1059）就是SS-2导弹的仿品。

图 SS-2导弹剖面图

SS-2导弹定义了一个典型的火箭外形。它是单级火箭，在其上增加二级、仪器舱、整流罩后，形成了一个多级火箭典型结构，如下图。

图 火箭结构示意图

火箭贮箱内装满推进剂，但箱间段、后过渡段/尾段、级间段内存在大量未利用空间。箭体结构总体设计代际划分，就体现在对这三组空间的开发和利用过程，它有着非常清晰的脉络。

三、第二代：取消箱间段，共底贮箱

最为大家熟知的就是利用两个贮箱之间的空间，这就是“共底”贮箱。

图 宇宙神导弹剖面图

1951年，康瓦尔公司开展了宇宙神导弹研制。导弹贮箱由圆筒形壳段、上底、下底和中间共底组成。中间共底为半球形，位于贮箱箱体中间，将贮箱分隔成煤油箱和液氧箱两部分。

采用共底贮箱的好处如下：

• 节省了一个贮箱箱底的重量（单层共底），同时，非共底时各贮箱均需承受内压作用，共底后可以利用上下贮箱之间压差来抵消各自的内压载荷，进一步减轻了箱底重量。当然，带来好处的同时也有副作用，如两种推进剂之间的绝热处理，以及贮箱充压先后顺序等保障。

  
  

• 充分利用了箱间段内空间，节省了箱间段重量，同时火箭长度缩短载荷变小，有利于火箭减重。当然这里也有副作用，原来箱间段可以放置设备仪器，如排气管、自毁装置等，现在都需要挪到其它地方。

  
  

• 对于上凸的共底，上底推进剂可以从贮箱排放，此时推进剂晃动更小，有利于减小推进剂不可用量。

值得一提的是，笔者以前认为共底贮箱能大幅缩短火箭长度，但写本文时一算发现好处没有想象的大。以宇宙神导弹为例，其箱体直径为3.05m，假设贮箱上下底模数为1.6（椭圆），则两个贮箱之间空间为4.6m³，采用共底后火箭总长缩短0.6m，仅占火箭总长的2.5%。

苏联从1962年开始研制的SS-9导弹也使用了共底贮箱。SS-9导弹二子级使用了共底贮箱，一子级没有使用，这是在效率和工艺复杂性之间的一次权衡和选择。SS-9导弹后来弹改箭为旋风号火箭。

图 SS-9导弹剖面图

宇宙神导弹和SS-9导弹的共底，在外观上有个明显区别。前者共底为上凸（箱底向上拱起，像上眼皮），后者为下凹（箱底向下拱起，从上面看是凹的，像下眼皮）。两者并没有一定之规，各型火箭各种方案都有。

如CZ-3A/CZ-4B三子级采用的是上凸方案。

图 CZ-3三子级共底结构剖面图

而质子号二子级、猎鹰9号火箭二子级均采用了下凹式共底。

图 质子号火箭剖面图

图 猎鹰9号二子级渲染图

一般而言，为了便于推进剂出流，上凸共底采用贮箱外侧走输送管方案，而下凹共底采用隧道管方案（上贮箱输送管从下贮箱内部穿过）。

但也有例外，如阿里安5火箭一子级，其氧箱底为下凹式，但它没有走隧道管，而是采用了一根管路伸到贮箱底部，然后向上引到箱壁，再从侧壁走管路，就像喝饮料的吸管一样。

图 阿里安5芯一级结构剖面图

法国的火箭比较特立独行，除吸管一样的管路，还有火箭尾部那个像“瘤子”一样的液氦贮箱（下图）。把贮箱/气瓶挂在发动机一侧的型号很多，但挂这么大贮箱的不多。这个液氦贮箱内径1.303m，体积为1.146m³，装载4.2K共136kg液氦。在使用过程中由于贮箱漏热，当温度大于5.13K时变成超临界氦（要求24h，实测放置31小时压力上升到2.2MPa）。

图 阿里安5芯一级（看左侧的大贮箱）实物图

阿里安5的二子级结构也比较有趣，低温二子级从ESC-A改进到共底的ESC-B。

图 阿里安5 ESC-A/B剖面图

ESC-A/B采用了不等直径共底，如果仔细观察，它的布局还有一个特点，发动机直接连到了箱底。

四、第三代1：减小尾段，贮箱箱底传力

有些火箭使用机架将发动机推力传递到贮箱后短壳和柱段，机架内存在较大的未利用空间。

图 机架传力结构示意图

为了节省此部分空间，半人马座上面级、土星V号火箭第三级、土星IB第二级、CZ-4三子级、阿里安5 ESC-A/B、微风上面级等均采用了箱底传力方式。

1959年，科罗廖夫设计的SS-8导弹，二级机架直接对接到氧箱箱底。这枚导弹的二级没有明显的柱段，因此也只能连接到箱底。

图 SS-8导弹剖面图

图 土星V号S-IVB贮箱和箱底传力锥图

在箱底传力上走的更前的是美国，1957年设计的半人马座上面级采用了此方法。土星V号的S-IVB子级，是迄今型号中应用的最大推力和最大直径（6.6m）的箱底传力贮箱。如上图，发动机由一段锥形壳小机架传力到贮箱底部，锥形壳结构高2.11m，底部直径0.427m，顶部直径4.64m。由于推力结构为锥形壳，开敞性较差，不利于后续装配、调整和检查，所以在上面开有人孔（Access Door）。

五、第三代2：取消尾段，发动机上部内埋（未浸入推进剂）

由于发动机喷管较长，在喷管四周仍有大量可利用空间，部分型号将发动机上部埋入了贮箱内部，如微风上面级。

图 微风上面级剖面图

如上图所示的微风上面级，设计了异形燃料（UDMH）箱，发动机大部分都被埋入贮箱内部，大幅节约了贮箱空间。

这种设计是属于苏联和俄罗斯的专利，笔者没有在美国的火箭上看见。

1969年8月，同时上马的SS-17/SS-18/SS-19导弹，就已经将发动机埋入贮箱。

如下图，扬格尔（乌特金）设计的SS-17/SS-18，二级发动机上部已经伸入了N2O4贮箱，一级UDMH箱底也呈上凸外形，以容纳发动机空间。切洛梅设计的SS-19导弹，二级发动机也伸入了UDMH箱底。这种设计，以增加贮箱制造复杂性为代价，减小了箭体总长度。

图 SS-17（左）、SS-18（中）和SS-19（右）导弹剖面图

上述导弹尺寸与真实尺寸大抵相当，其中SS-18导弹起飞规模最大、投掷能力最大、弹头威力也最大，牢牢占据世界第一的位置，为苏联战略武器巅峰之作，被命名为“撒旦”。在削减战略武器条约签订之后，SS-19弹改箭为隆声号运载火箭，SS-18弹改箭为第聂伯运载火箭。

六、第三代3：减小/取消级间段，发动机下部内埋（未浸入推进剂）

现在，对于火箭一个子级，通过共底节约了两个贮箱之间的空间，通过发动机顶部埋入贮箱节约了喷管外部空间，但毕竟喷管外温度高，一般而言总要突出箭体，还会占用火箭下子级空间。

如果仔细观察，SS-17和SS-19导弹的一子级氧箱顶部都形成了内凹型，以容纳二级发动机喷管。

在乌克兰战略导弹博物馆，有SS-17导弹的实物。可以看到，一子级的顶部四周上凸（最左上侧子级），中心是上凸的，以容纳更多推进剂。

图 SS-17导弹实物图

这种设计来自于切洛梅。1963年，苏联部长会议决议由切洛梅开展SS-11导弹的研制。航空设计师出身的切洛梅，对于结构布局和优化十分娴熟。与早一年立项的SS-9导弹相比，一二级全部采用共底贮箱、箱底传力自然不在话下，同时还将一级氧箱前底做成上凹形状，以容纳发动机空间。

图 SS-11导弹剖面图

SS-11导弹异常成功，它从1967年7月21日开始服役，到1969年装备数量到达600枚，1970年到达840枚，1973年~1974年，SS-11导弹装备数量达到1030枚。

七、第四代1：取消尾段，发动机上部潜入贮箱

SS-18（“撒旦”）为苏联陆基战略导弹巅峰之作，其结构总体设计也登峰造极，但它还不是终极构型，终极构型来自于海底。

苏联研制的液体潜射导弹，达到了全箭无壳段，定义了液体火箭的终极构型。

1962年，马克耶夫设计局开始SS-N-6潜射导弹研制。它在导弹结构和布局上采取了一系列措施来缩短长度、减轻质量。

除了采用双层共底、氧箱上底下凹以内埋入弹头等措施，它将主发动机潜入UDMH箱的推进剂中，浸在推进剂中的主发动机为固定喷管不摇摆，未浸入推进剂的外侧游机摇摆进行姿态控制。

图 SS-N-6导弹剖面图

这里的潜入，与之前SS-17/SS-18/SS-19导弹的内埋不同。内埋是指贮箱变形以容纳发动机空间，而潜入式是指发动机直接浸入了推进剂中。即内埋利用的是结构变形，无论如何发动机与贮箱间都有间隙；而潜入利用的是液体变形，可以做到毫无间隙，因此可以更为节省箭体空间。

八、第四代2：取消级间段，发动机下部潜入贮箱，级间共底

1964年，马克耶夫开始了两级液体潜射导弹SS-N-8导弹研制。与SS-N-6导弹类似，弹头倒置内埋进了UDMH贮箱，一级发动机顶部潜入UDMH箱底。有意思的是二级发动机，它的底部直接浸入了一级N2O4贮箱里面，形成了级间共底，从而取消了级间段。火箭一二级级间分离时，直接切断贮箱，贮箱增压气体作为分离能源拉开一二级距离。这种方式与联盟号助推分离的科罗廖夫十字异曲同工，甚至更为酷炫。

图 SS-N-8潜射导弹剖面图

1973年开始研制的SS-N-18（魟鱼）导弹，以及1979年研制的SS-N-23（轻舟）导弹，结构布局均与SS-N-8导弹相似，其中SS-N-18在SS-N-8导弹基础上增加了分导级，SS-N-23导弹又增加了一个三子级。20世纪90年代初，俄罗斯将SS-N-18和SS-N-23导弹改制为波浪号和静海号运载火箭，用于小型卫星发射任务。

目前，俄罗斯正在研制萨尔马特，以代替乌克兰研制的SS-18导弹。由于研制单位为俄罗斯的马克耶夫设计局，因此有人根据SS-N-8导弹构型，画出了如下的萨尔马特想象图。

图 网上给出的萨尔马特导弹剖面图（实际为SS-N-8导弹剖面图）

这幅图中，导弹头部指向尾部，推进剂呈RYYR布局，形成四贮箱三共底、头内埋尾潜入的空间结构，绝佳地阐释了SS-N-8导弹没有一丝空间是浪费的无舱段化设计特点：

• 无仪器舱——弹头埋入2R。

  
  

• 无箱间段——2R/2Y和1Y/1R共底。

  
  

• 无级间段——二级发动机底部潜入1Y，形成2Y和1Y的级间共底。

  
  

• 无尾段——一级发动机顶部潜入1R。

说句题外话，笔者认为这幅萨尔马特的图不真。它的工艺太复杂，作为陆基导弹，大可不必像潜射导弹那样追求极致空间。俄罗斯在“军队-2019”国际军事技术论坛期间公布了最新萨尔马特导弹的性能参数。用此参数计算装填率为62.6%（计算方法见下），与SS-18导弹的66.3%更为接近，而达不到SS-N-8的75.5%。萨尔马特更有可能是俄罗斯针对乌克兰产SS-18导弹的一个“国产化”和“自主可控”仿品。

图 萨尔马特导弹性能参数

九、总结

梳理美苏在液体火箭结构未利用空间开发上走过的历程，如下表所示。

以上代际划分比较定性，可以自定义“装填率”指标，对以上措施的效果进行定量评估，计算公式为：

装填率=（火箭总重×0.9）/推进剂综合密度/火箭总体积

这里0.9代表推进剂重量系数（可能导致±5%偏差）。推进剂综合密度为氧燃平均密度，一般对于N2O4（或硝酸）和UDMH（或混肼50）为1.2t/m³，对于液氧煤油为1.0t/m³，对于固体推进剂为1.8t/m³。

注：级数中不含分导级，另外此处不用运载火箭比，是因为运载火箭整流罩一般相对较大，给计算引入较大干扰。

计算结果如上表所示。一般而言，火箭直径越大，装填率越高；级数越多、长细比越小，装填率越低。除去这些因素，从数值可以看出：

• 第一代液体导弹结构，未采用共底、发动机内埋/潜入等措施，典型代表是SS-5，装填率为59%。将之作为比较基线；

  
  

• 第二代液体导弹采用共底贮箱，可提升装填率约2%，提升有限(实际上，宇宙神采用共底，火箭长度仅仅缩短0.6m，占全箭总长2.5%)。如宇宙神和SS-9等；

  
  

• 第三代液体导弹采用共底+发动机内埋等措施，与基线相比，可提升装填率约7%，如SS-17/SS-18/SS-19；

  
  

• 第四代液体导弹，采用共底+发动机潜入等措施，与基线相比，可提升15%装填率，如SS-N-8/SS-N-18/SS-N-23等；

  
  

• 液体导弹装填率不低于固体导弹，如进一步采用内埋式或潜入式喷管，液体导弹装填率可以超过固体导弹。因为液体只是多了一个对装填率影响不大的箱间段，而且由于液体可变形性，实施潜入式喷管更节省空间。

当我们还在为第二代大型贮箱共底孜孜以求时，苏联早已完整走过了共底贮箱、箱底传力、发动机内埋、发动机潜入的四个代际，并在SS-N-8导弹上实现了全箭无壳段化，达到了液体火箭结构的终极构型。

为什么苏联可以呢？我们有没有可能瞄着结构终极构型，弯道超车，直接设计一款结构高度集成、全箭无壳段化的第四代运载火箭结构呢？

运载火箭/导弹技术演化是由竞争、迭代和需求推动的，其中需求是先决条件、迭代是必要条件、竞争是催化剂。

在上世纪60~70年代，科罗廖夫、杨格尔、切洛梅和马克耶夫的竞争中推陈出新，臻至化境。没有竞争，就不会在这么短的时间内，有这么多新颖的结构形式，也不会有SS-18和SS-N-8/18/23的横空出世。

仅有竞争也不够，SS-18和SS-N-23并不是一开始就出现的，而是通过一点点积累和攻关，一步步出现的。SS-18站在了SS-9和SS-11的肩膀上，SS-N-8/18/23站在了SS-N-6的肩膀上。自然从来不飞跃，从没有弯道超车，只有反复迭代。时间和眼界都代替不了迭代，因为经验是由完成的迭代的数量获得的，而不是花费的年数。

最后，SS-18比SS-N-8立项更晚，但它在结构上也并没有做到SS-N-8那样的极致，出现了代际倒退。这是因为需求，潜射导弹对尺寸、规模有着严格的限制，螺蛳壳里做道场，马克耶夫只能逼着自己做到极致。但陆基导弹限制并没有那么严格，因此扬格尔/切洛梅会在结构极限和可靠性中进行一个权衡。需求不同于要求，内在的要求才是需求，需求是决定性的。

因此，苏联可以设计出SS-N-23。我们现在想抄作业，不可行、也无必要。不可行是因为没有快速迭代和竞争，没有必要是因为确实没有需求。

本文来自微信公众号：理念世界的影子（ID：spaceodyssey1968），作者：洞穴之外