《我和我的父辈》中的火药为什么要用刀来切？

　　今年的国庆档电影市场依旧火爆，作为“国庆三部曲”的终章，《我和我的父辈》如约而至，该片以“传承”为线索，向我们诠释了父辈们的坚守与奋斗。

　　电影依旧以 单元片的 形式呈现 ，其中最戳人泪点的非单元片 《诗》莫属了，影片中哥哥一句“我爸爸和我以前的爸爸都死了”，让无数观众落泪。

　　图源：豆瓣电影海报

　　《诗》 讲述了中国第一颗人造卫星成功发射 背后一个默默奉献的航天家庭的故事。 影片中的父亲从事火箭燃料研发的工作，在一次试验中牺牲；母亲（章子怡饰演）是位火药雕刻师，常常在命悬一线的环境里工作。 戈壁滩上 的 漫天 黄沙 ，对父 母 工 作 满是问号的孩子 ，这些都 无不 叙说着上世纪六十年 代 我国 航天事业开拓者们 的付出与艰辛 。

　　片中母亲向儿子介绍火药雕刻师的工作

　　图 源： 《我和我的父辈》 之《 诗 》预告片

　　看完电影后，相信大家在被父辈们的坚韧与付出所感动的同时，心里应该也和我一样，留下了不少疑问：

　　雕刻的是什么火药呢？

　　为什么要雕刻火药？

　　为什么雕刻火药很危险？

　　这么危险的工作，能用机器代替人吗？

　　今天我们就来聊一聊这几个问题。

　　火箭的动力源——推进剂

　　如同汽车需要加油才能行驶，火箭也要有动力燃料才能飞行。

　　火箭发动机用的燃料和氧化剂的总称，或者其中的一个组分，就被称为推进剂。

　　一般来说，推进剂是高能化学品，如汽油、航空涡轮发动机燃料、火箭燃料、氧化剂等。在火箭和飞机中，推进剂反应后产生气体，并经喷嘴引导产生推力。

　　长征五号B运载火箭升空

　　图源：http://www.yidianzixun.com/article/0V3nTOC6

　　20世纪前，黑火药是世界上唯一可用的火箭推进剂。到如今，推进剂按其组成可分为单组元推进剂和多组元推进剂。

　　图源：作者整理

　　Tips

　　“神舟”系列火箭用偏二甲肼（C2H8N2）作燃料，四氧化二氮作氧化剂，生成氮气和二氧化碳气体，化学方程式为：

　　推进剂按照状态分为液体推进剂和固体推进剂两大类。

　　图源：作者整理

　　固体推进剂

　　这固体推进剂确实挺有意思。

　　通常放鞭炮，都是从下往上沿着一条线点燃的。咱们看火箭细细长长的，会不会觉得火箭里面的燃料也是从下向上燃烧的呢？

　　图源：http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20180709/9a8fe8887de041b3974a752e1aeb1082.gif

　　错了！

　　固体推进剂的燃烧，是由内向外的。

　　图源：srm喉衬用c/c复合材料的研究和应用现状

　　如果药柱是简单的圆柱筒形状，在由内向外燃烧时，一开始的燃烧面积小，越往后燃烧面积越大。这就会导致一开始的推力小，后面推力越来越大。而火箭随着燃料燃烧越来越轻，应该是一开始推力大，后面推力渐渐减小。

　　这就成为了一对矛盾。但是这难不住智慧的设计师们。

　　实际的推进剂药柱，会做成星形等特殊形状，这样就能够让一开始燃烧的面积变大，推力更强。

　　图源：

　　图源：溜溜车薪公众号

　　推进剂药柱不仅可以设计二维结构，还可以设计三维结构。星形、雪花晶体形等复杂的几何形状，决定了不同的燃烧截面，可以控制推进剂的燃烧参数。截面形状不同，燃烧的时间、快慢、瞬时推力都是不一样的。

　　在《诗》中父亲的工作，大概就是推进剂药柱的设计师。

　　雕刻火药

　　正是因为要精准控制推进剂药柱的形状，这就使得推进剂药柱的加工过程变得非常关键。

　　推进剂药柱的加工，简单来说就是要先做出药柱的模具，再将混合好的浆状燃料倒入模具当中。浇筑完成后要静置一段时间，让浆状物形成挤压，从而将浇筑过程中带进的空气挤出去。

　　药柱浇铸完成、静置排气后，要进入到低温烘烤使其固化。温度太高容易引起药柱自燃，并且烘烤温度太高会让药柱内外固化不均匀，产生细微的拉裂裂纹。所以必须要低温才能让药柱内外受热均匀，在同一时间固化。

　　然而，浇注这个工艺本身就具有一定的缺陷——依赖自流平性。最终的浇注面，无论是形貌还是尺寸，都不可能控制得非常精确。因此，就需要对燃烧面进行精细的加工，才能满足设计要求。

　　虽然我们总是在讲雕刻火药，但并不是所有的固体燃料火箭发动机全都需要人工雕刻塑形的，99%的固体火箭发动机会采用机械加工的方式进行生产。

　　看到这里，大家可能会觉得奇怪，能用机器加工的话，既避免了危险，又不浪费人力，那为什么还需要火药雕刻师呢？

　　火药雕刻工作中发生的一次意外爆炸

　　图源：《我和我的父辈》之《诗》预告片

　　这是因为，推进剂药柱虽然是固体，却也有一定的弹性。举个例子来说，想把一根萝卜切成片很容易，想把一根红肠切得均匀就不容易。推进剂药柱也是如此，加工药柱的精度要达到0.2mm，几乎快和一根稍微粗一些的头发差不多了。这样的精度，一般的加工机器根本达不到。

　　那么为什么不去研制一台专用机器呢？这也是无奈之举，因为成本会增加很多。我国目前已经处于了航天强国的行列，每年发射三十几枚火箭，像下饺子似的。

　　但即使这样，同一型号的火箭发射次数依然是可以用一双手数过来，为了这么几次发射，去研制一台要解决诸多技术难点的仪器，这种成本确实是很难承受的。

　　当然，我们也希望随着技术进步，能够发现新材料，发展新工艺、新技术，有朝一日能够用机器加工出完美的推进柱燃面，这样就再也不用电影中主人公母亲那样的火药雕刻师冒着生命危险去做这样危险的工作了。

　　雕刻火药的诗人

　　雕刻火药的工作不但危险，还需要高超的技艺和超越常人的冷静，这样令人敬佩的英雄，始终在守护着我们的美好生活。

　　我们所处的时代，也有一位这样的英雄“诗人”，他就是——徐立平。1968年出生，中国航天科技集团公司第四研究院7416厂航天发动机固体燃料药面整形组组长，国家高级技师、航天特级技师。先后获得中华技能大奖、全国五一劳动奖章、2015年度“感动中国”人物、“时代楷模”荣誉称号、“最美奋斗者”个人称号等荣誉。

　　让我们一起来了解他的故事，向英雄致敬。

　　作者：郭玮宏，中国科学院上海技术物理研究所博士

　　编辑：一人白

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