有缘千里来相会——美国海军MK57火箭增程弹简析
现如今，各式各样的火箭增程弹可谓是火炮的宠儿。不论是朱姆沃尔特的155毫米LRLAP火箭增程弹、俄国2S4郁金香自行迫击炮的240毫米火箭增程弹还是我国的155毫米底排火箭增程弹，都属于“火箭增程弹”这一大家族。然而，如果我说，在上世纪60年代，有一款从二战那会儿就已经在服役了的老炮装备了火箭增程弹，你信吗？
所谓火箭增程弹其实并不是新东西。至少能够确定在二战时期，德国人就已经给他们的sfh-18野战重榴弹炮配备了150毫米口径的火箭增程弹。而到了战后，为了能在远距离打击某些软目标时取代203或是406毫米炮弹，减少昂贵的203甚至406毫米炮弹的开支，美国人也为他们的MK12型舰炮研发了一款火箭增程弹，使得MK12型127毫米舰炮也拥有了与重巡洋舰主炮相似的长射程。
这款火箭增程弹，就是本文要讨论的MK57型火箭增程弹。
平心而论，如果用现在的眼光去看，MK57无疑存在一大把的缺点。别的缺点暂且不论，至少这种炮弹没有GPS定位或是电视制导，这就导致这种炮弹在经过火箭助推之后精度往往会变得相当感人。虽然说利用覆盖射击同样可以达到杀伤目标的效果，但单就效率而言，这样的“覆盖炮击”绝对比不上现代精确制导火箭增程弹的点穴式“一发入魂”。然而，放在那个时代，MK57依然是一种相当有趣且非常精巧的作战武器，可以说得上是同时代人类战争工程学的一大杰作。
但是，可能是因为MK57型火箭增程弹在实际地区冲突中的应用非常少，现在能在网上找到的关于这种炮弹的资料几乎可以说是寥寥无几。偶尔发现那么两三粒沧海之粟，打开一看，里面的内容还不乏错漏之处。因此，本文将借助美国海军武器中心解密的权威材料（NWC Technical Publication 4576，以下简称TP4576），对这种神秘的炮弹进行尽可能详细的解析，尽量补齐这一块资料群中的空白。
一：炮弹整体外形
在TP4576中，MK57被描述为一种“23-inch，55-pound”的炮弹。也就是说，这种炮弹长23英寸（约584.2毫米），重55磅（约24.95公斤），口径为5英寸。在弹顶底缘有一圈非常光滑的定心部，用于减少炮弹与膛线之间的摩擦，由此延长炮管的使用寿命；此外，在炮弹尾段还有一圈铜质的弹带，用来嵌入膛线中起到闭气作用，同时也可使炮弹在经过膛线时由膛线强迫着起旋，提升炮弹的稳定性。紧挨着弹带下部就是炮弹的弹底；不同于一般的5英寸炮弹，MK57的弹底做了个小小的收窄，呈现出了所谓的“Boat tailed”也就是艇形尾的形态。这一设计可以让流过弹体的空气顺着收窄的尾部自然流向弹底，在一定程度上填补弹底后方因炮弹推开了空气而形成的真空区，从而减小压差阻力，使炮弹得以飞行更远的距离。
二：炮弹组成部分
一枚MK57炮弹由两个典型的部分组成：
A：弹头段；
B：火箭发动机段。
A：弹头段
同所有的炮弹一样，MK57的弹头段也是它真正发挥杀伤作用的地方。这一部分由弗吉尼亚达尔格伦的海军武器实验室研发，长9英寸（约288.6毫米）、重21磅（约9.53公斤），由弹头外壳和弹头装药两部分组成，顶上可视情况安装MK29Mod3型碰炸引信或是MK357Mod0型可控变时引信（一种拥有机械时间引信和碰炸引信作为起爆备份的无线电近炸引信）。弹头外壳重17.7磅（约8.03公斤），由AISI-O6型脆钢制成，便于起爆时炸出大量的弹片。这种钢材的洛氏硬度在28~36之间，最小屈服强度约为10万磅每平方英寸（约689.5兆帕）。弹头装药则是3.3磅（约1.5公斤）的压填Comp A3炸药，这是一种由91%的黑索金（RDX）和9%的蜡组成的炸药，爆速约为TNT的1.21倍（OP 1664，U.S. Explosive Ordnance）。综合考虑，这一发弹头的威力应该与俄国PM38型120毫米重迫击炮的OF-843高爆弹相当（1.4公斤），后者的杀伤半径可达25米。
B：火箭发动机段
火箭发动机段是MK57的灵魂所在，是它能比一般炮弹飞得更远的关键。有鉴于此，下面将对火箭发动机段的各个部分进行单独罗列，以求更细致地描述这一部分。
根据TP4576的说法，MK57炮弹的火箭发动机段——或者叫MK62火箭发动机——在整枚炮弹中所占的比例要略大于弹头段。这个部分长为10英寸（约254毫米），重30.2磅（约13.7公斤），分别为弹头段的1.11倍和1.44倍。按照功能区别，我们可以把火箭发动机段拆分为三个典型的部分：
火箭发动机壳体；
火箭发动机药柱；
点火器。
1.火箭发动机壳体
顾名思义，火箭发动机壳体就是整个火箭发动机的外壳。它一方面保护着里面的药柱不受挤压、碰撞和外来物质的侵蚀，另一方面则禁锢着里面暴烈的燃烧反应，确保发动机只会一直向后喷气而不是被燃气“砰”地一声炸开；此外，它也起着连接火箭发动机段和弹头段的作用。这一部分重22.1磅（约10.02公斤），尾部收窄构成炮弹的艇形尾，由经热处理后极限抗拉强度达到20万~22万磅每平方英寸（约1378.95兆帕~1516.85兆帕）的4340钢制成；发动机壳体外部箍有铜质弹带，底部开口构成火箭发动机的燃气喷射通道。一个火箭发动机上常用的拉法尔喷嘴插在开口底部，与药柱的中心孔对接；一旦药柱点燃，产生的高温高压燃气就会被壳体约束着从拉法尔喷嘴冲出，经拉法尔喷嘴特殊的收敛-扩张设计后加速至超音速，为炮弹提供巨大的反冲推力。壳体的顶部用一块酚醛玻璃布制成的堵头封住，并通过螺纹接头“拧”在弹头段底部；为防止燃气突破堵头从弹头和火箭发动机的接头处漏出，接头内部还另外加了一道保险，用一圈O形环（截面为圆形的密封圈）加以密封。考虑到固体火箭发动机工作时会产生强烈的振动，在壳体内部的头端和尾端还有两块振动阻尼板，以此来衰减火箭发动机的工作振动，削弱其对弹头和火箭发动机本身的影响。
2.火箭发动机药柱
在讲这一节之前，我们有必要先了解一下固体火箭发动机的一些工作理论。
和液体火箭发动机的燃烧发生在专门的燃烧室内不同，固体火箭发动机的燃烧是直接发生在推进剂（或称装药）的表面的。不难想象，推进剂某一表面的面积越大，则分布在该表面上的推进剂越多，燃烧时参与反应的推进剂也就越多。因此，对于同一推进剂而言，药柱的设计使其能够参与反应的表面积越大，则燃烧时药柱产生的推力也越大。所以，对于一些需要在短时间内达到大推力的固体火箭发动机，如大型导弹的助推器，常常会采用车轮形药柱装药（wagon wheel grain，火箭发动机教程，哈尔滨工业大学出版社，关英姿主编）；这种装药的内腔表面积非常巨大，但药柱本身的壁厚——我们称之为肉厚——往往较薄，因此燃烧持续时间不长。这样，当采用该种装药的火箭发动机被点燃时，就会产生一个持续时间较短的巨大推力，把导弹一下子擎起来。
MK57炮弹的火箭发动机药柱是一支长8.2英寸（约208.28毫米）、直径4.085英寸（约103.76毫米）、壁厚1.5425英寸（约39.18毫米）的十字管槽形药柱。如图所示，在药柱的中心有一条贯穿药柱头尾的圆柱形中心孔，孔的直径为1英寸；从中心孔向四个方向发散出四道宽为0.25英寸（约6.35毫米）、深达发动机壳体内壁的开槽，由此将药柱分成了均匀的四瓣。每道开槽中都垫有一前一后两块硅橡胶制成的分隔板，确保四瓣药柱能被完全隔开。因此，当药柱被点燃时，对于每瓣药柱而言都有内侧和两侧共计三个侧面在参与燃烧，面积不可谓不大，而由此产生的推力也不可谓不强劲。不过，由于每一瓣药柱都在同时承受着三个侧面的燃烧消耗，药柱燃烧的持续时间也大为缩水——事实上，MK62型火箭发动机自被点燃开始只有1.6秒的工作时间，然后就烧完了。
不同于之前美国海军使用的众多火箭武器，MK57炮弹的推进剂并没有选用传统的巴利斯泰火药（0.75%二苯胺、0.25%石墨、60%硝酸纤维素酯和39%三硝酸甘油酯组成的双基推进剂），而是采用了一种新东西。这是一种叫N-34的推进剂，整个药柱就由7.1磅（约3.22公斤）的N-34推进剂组成。这种推进剂的具体成分未知，已知的信息只有它具有良好的力学性能，可以承受1.8万g的轴向加速度和1.5万g的径向加速度，并且是一种含20%的铝粉的碳氟化合物复合推进剂——所谓碳氟化合物复合推进剂和属于双基推进剂的巴利斯泰火药完全不一样，它的氧化剂并不是自带在推进剂分子中的硝基，而是均匀分散在推进剂药柱中的高/氯/酸/铵（Ammonium Perchlorate，以下简称AP）；而它的燃烧剂也不是分子自带的碳和氢，而是同样均匀分散在药柱中的活泼金属或者非金属——在这里就是铝粉。这两种物质被具有良好可塑性的碳氟化合物粘结在一起，就构成了整体式的推进剂药柱。当药柱被点燃时，内部发生如下反应：
对于AP而言，AP的热稳定性不佳，因此会爆炸式分解：
2NH4ClO4=高温=2O2↑+N2↑+Cl2↑+4H2O↑，ΔH＜0
这个化学方程式想必在读高中的同学一定再熟悉不过了。
此时我们注意到，AP的爆炸式分解提供了氧气，而铝粉又会和氧气剧烈反应，因此有：
4Al+3O2=高温=2Al2O3，ΔH＜0。
于是，铝粉燃烧和AP分解提供大量热，而AP在高温作用下又继续分解，产生大量高温高压的气体从拉法尔喷嘴喷出，就为炮弹提供了再次加速的动力。
这里得提一句题外话。以AP为氧化剂、铝粉为燃烧剂的复合推进剂直到今日还被广泛应用于各类航空航天器件的火箭发动机中，只不过粘合剂不一定是碳氟化合物了。比如说，美国航天飞机的两个固体火箭助推器应用的就是以端羟基聚丁二烯（HTPB）为粘合剂、以铝粉为燃烧剂、以AP为氧化剂的复合推进剂，而我国的巨浪一号潜射弹道导弹采用的则是以端羧基聚丁二烯（CTPB）为粘合剂的此类推进剂。
3.点火器
MK57炮弹的火箭发动机并不是在炮弹出膛瞬间就点燃的。恰恰相反，它的作用是空中接力；说得确切些，只有当炮弹飞行了23秒之后，火箭发动机才会起燃。
所以，这个延时点火的功能要怎么实现呢？
这就需要用到点火器了。
仔细观察MK57炮弹的拉法尔喷嘴，我们会发现，在喷嘴中还插有一枚大头针样的装置，其头部一直穿过拉法尔喷嘴深入了药柱的中心孔中，而其底部的燃气封垫则把弹底的开口牢牢封住——所以，这应该是一个连接弹底和药柱的装置。
这个装置，就是MK57炮弹MK62火箭发动机的MK279点火器。
拆开点火器，我们会发现这个大头针一样的装置其实非常精巧。虽然装置只是一根空心的管子，但在这根管子里却按照从后往前的顺序填充了足足五种不同的火工品：在大头针的最底部是一个带撞针的34号（Mod0）或M-35（Mod1）火帽，火帽前端的空心管里是一段激发药。空心管再往前的部分里，整整齐齐地垒放着一列7段无烟延期药柱；而在大头针的最前端，则是一个装满了药片的端头，这些像医用药片一样的小药片就是点火器的点火药，最终点燃火箭发动机的就是它们。点火药和延期药柱之间还填充了一段输出药，用于将延期药的燃烧传递至点火药，并最终将点火药引燃。
现在我们就来看看当炮弹被发射出去时点火器内会发生什么吧。
首先，随着MK12一声炮响，发射药筒产生大量的火药燃气；这些燃气一方面推动炮弹，强迫炮弹沿着膛线动起来，另一方面则作用于点火器底部的撞针。于是，高压的火药燃气瞬间推动撞针前移，打击点火器底部的34号或是M-35火帽，使得火帽发火启动点火流程。
发火的火帽会首先点燃激发药。激发药是一段A-1A型锆热药，由65%的锆、25%的氧化铁和10%的硅藻土组成。当火帽产生的高温作用于这种混合物时，混合物内发生如下反应：
3Zr+2Fe2O3=高温=3ZrO2+4Fe，ΔH＜0
因为这个反应从形式上来看比较像是铝热反应，所以我们暂且称它为锆热反应。
锆热反应的发生使得热量向内蔓延至点火器空心管的起始段。这些热量激发了第一段延期药柱内的化学反应，并使反应稳定地持续下去；这7段延期药柱都是所谓的TU-3金属-盐型无烟延期药，由钨单质、铬酸钡和高/氯/酸/钾（Potassium Perchlorate，以下简称PP）三种物质组成，其中钨单质为还原剂、铬酸钡为燃速调节剂和氧化剂、PP为主氧化剂。在受到高温加热时，这三种组分会发生如下的反应：
8W+3KClO4+8BaCrO4=加热=8WO3+3KCl+4Cr2O3+8BaO，ΔH＜0；
BaO+WO3=加热=BaWO4，ΔH＜0。
（Visualization of reaction chemistry in W-KClO4-BaCrO4 delay mixtures via a Sestak-Berggren model based isoconversional method）
于是，这7段延期药便开始像蚊香一样温和地燃烧，由发光区、绿色熔解区和炽热区三段组成的燃烧波面开始以20秒1英寸（约25.4毫米）的速度自尾部向头部移动。当燃烧波面烧抵延期药前端的输出药时，点火流程的下一步就开始了。
MK279点火器的输出药是一段压填的硼硝酸钾（BPN）。正如名字所述，这种输出药是由硼单质和硝酸钾组成的；虽然硼是一种非金属元素，但硼单质非常活泼。在受高温作用时，输出药发生如下反应：
2B+3KNO3=加热=3KNO2+B2O3，ΔH＜0
这实际上是4B+3O2=加热=2B2O3和2KNO3=加热=2KNO2+O2↑的总反应式。由于反应放热，燃烧反应还在继续下去，并最终将那点火种传递给了点火器尽头的点火药。
现在就是最激动人心的时刻了——在经过23秒的延期燃烧后，端头内的4克镁-特氟龙点火药片终于接过了由火帽—激发药—延期药—输出药层层传递过来的火种，一瞬间爆发出耀眼的白光：
2Mg+O2=点燃=2MgO，ΔH＜0！
在那一刻，镁-特氟龙药片燃烧产生的高温顺着端头的外壁扩散出去，刹那间点燃了N-34推进剂。电光石火间，推进剂立即开始燃烧产气，产生的大量燃气猛地把完成了使命的点火器从拉法尔喷嘴中喷出去，紧接着便冲出拉法尔喷嘴，变成拖着滚滚浓烟的耀眼烈焰，火箭发动机便点火完成了。
三：总结
现在我们再来回顾一下MK57火箭增程弹从发射到命中目标的全过程。
首先，MK12舰炮的发射药筒击发，瞬间产生的大量燃气冲破药筒口部的软木塞，推动弹体迅速前行并沿着膛线起旋；同时，一部分火药燃气也击向了点火器底部的撞针，猛地把撞针往前一推，使之打击点火器底部的火帽，开始点火流程。于是，在炮弹一边高速旋转一边飞行的时候，点火器内部正尾部向头部层层传递着燃烧的火种；在炮弹飞行23秒后，经火帽、A-1A锆热激发药、TU-3无烟延期药、压填硼硝酸钾输出药和镁-特氟龙点火药的层层传递，燃烧的火种最终延烧到了药柱内部。一瞬间，由N-34推进剂组成的药柱立即起燃，中心孔和十字形的开槽中霎时布满了炽热的烈焰；推进剂产生的燃气猛地将点火器从拉法尔喷嘴冲出，打通燃气喷射通道，随即高速射出喷嘴，推着炮弹开始第二次加速。1.6秒后，7.1磅的N-34药柱燃烧殆尽，而获得了空中接力的炮弹则已经在向更高的高度冲刺，沿着一条新的弹道曲线冲向目标了。
接下来，在飞出最远达23770码（约21735米，相当于普通127毫米通常弹1.5倍的射程）的距离后，炮弹飞临目标上空。如果此时炮弹装备的是MK357Mod0型可控变时引信，则当炮弹接近地面到一定距离时，越来越强的地面回波便会触发引信中的导通闸流管；“崩”地一声，起爆电容器通过闸流管放电引爆传爆引信，进而引爆弹头内压填的3.3磅Comp A3炸药，将脆钢制成的弹头壳体炸成横飞的碎片，射翻一大片暴露的人员；而如果此时炮弹装备的是MK29Mod3碰炸引信，则炮弹只会在高速撞上地面的一瞬起爆，炸翻周围的一切物体，甚至能对轻装甲车辆造成严重的损伤。
正如本文开头所言，MK57型炮弹的设计在今天看来无疑是不完善的。没有制导系统这一点直接使得炮弹失去了打击的精确性，降低了长距离岸轰的效率；这一点再配上MK57只有高爆弹头而没有半穿甲弹头的缺陷，也使得MK57在射击诸如碉堡一类的目标时完全无法代替203或是406毫米炮弹——高爆战斗部兴许能炸散架几台四号，但是钢筋混凝土的碉堡？那还是省省吧。然而，在这种炮弹刚刚搞出来的60年代那会儿，这种特殊的炮弹却绝对称得上是高技术的代表；没有良好的材料学、化工、结构设计等等一大堆基础支撑，这种炮弹还真不是那么好搞。
还有，因为萨勒姆退役比较早，她的MK12副炮没赶上装备这种新式武器，也算是比较遗憾吧。
参考书目：
《NWC Technical Publication 4576》
《OP 1664，U.S. Explosive Ordnance》
《Military Specifiction: powder, ignition, gasless, A-1A》
《Visualization of reaction chemistry in W-KClO4-BaCrO4 delay mixtures via a Sestak-Berggren model based isoconversional method》
《火箭发动机教程》，哈尔滨工业大学出版社，关英姿主编
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