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小火箭出品

本文作者：邢强博士

本文是小火箭航空航天经典元素与材料系列文章第1季的第2篇。在本季文章的开篇《液态氢，一匹桀骜不驯的野马》中，小火箭介绍和分析了氢元素，尤其是液态氢在导弹与运载火箭中的重要作用，指出了想要驯服液氢这匹动力强劲又个性十足的野马需要非凡的耐心和先进的技术。

本篇，小火箭并不准备按照元素周期表的顺序讲氦，而是要说一说铍（音：皮），这种在洲际弹道导弹、空间飞行器以及核武器上的关键金属材料。

铍之美

铍是最轻的碱金属元素，在地壳中的含量约为铝的1/8200。虽然它看起来没有黄金、铂金等传统意义上的贵金属那么稀少，但是在目前已经探明的数十种铍矿石中，只有绿柱石（又称绿宝石）等少数几种具有工业开采和提炼铍的能力。可以说，铍金属是从宝石里发掘出来的。

99.9%的铍

1956年麻省理工学院德雷珀实验室将铍引入了陀螺领域。这个做法让整个陀螺行业发生了翻天覆地的变化。（这个实验室很猛的，小火箭今后会单独写一下。该实验室在制导控制领域一直以来保持着学术和工程方面的领先地位。当然，课题经费也是很给力的，仅2006年签署的一项升级“三叉戟”潜射弹道导弹制导控制系统的合同就高达1.96亿美元。）

铍有三大优良品质促使其迅速取代了钢、钛和铝等金属，成为了制造陀螺仪的理想材料。

第一，良好的热学特性。铍的导热系数是钢的3倍，是铜的5倍，热膨胀系数不足镁的一半。陀螺仪里高速旋转的转子会产生大量的热。良好的导热性能够使这些热量在陀螺上均匀分布以减小陀螺的内部应力。较小的热膨胀系数则进一步减小了陀螺的形变。

第二，优秀的力学性能。铍的比重是钛的1/3，铝合金的2/3，而弹性模量却分别是钛、铝、镁的3倍、5倍和7倍。其比强度是铝合金的1.7倍、镁合金的2.1倍、钢的1.5倍。这意味着陀螺的骨架可以在更轻的同时变得更坚固。将一枚三级导弹的惯导系统的结构改为铍金属可以减轻该系统数千克的重量，从而大幅减轻制导控制系统给导弹总体系统带来的负担。

第三，超强的稳定性。陀螺转子质心位置如果有百分之一微米的偏差，就会给远程导弹带来数百米的误差。而铍金属的外形尺寸可以保持得很稳定，即使是在很大的应力作用后，也能很快恢复原样。没有经过任何表面处理的铍制外壳拥有的抗氧化能力和抗腐蚀能力甚至要强过大多数经过多种防腐蚀处理的不锈钢材料。（铍的表面会形成氧化层，有效避免了进一步被空气氧化；要加热至1000 °C以上，铍才会继续和空气发生反应。）

和平卫士洲际弹道导弹的陀螺仪就大量应用了铍。

和平卫士洲际弹道导弹的最大射程为14000公里，可以携带10枚装有W87核弹头的MK-21再入飞行器。每枚核弹头的当量为30万吨TNT（相当于20枚二战广岛原子弹），因此仅从当量上计算的话，一枚和平卫士导弹就相当于200枚广岛原子弹。

该导弹的发射起飞重量为 87.75吨，共有四级。第一级使用Thiokol SR118固体燃料发动机，第二级选用了Aerojet SR119固体燃料发动机，第三级采用Hercules SR120固体燃料发动机，第四级则是老牌的Rocketdyne（洛克达因）公司研发的可重复启动的液体燃料火箭发动机。上图为和平卫士导弹的上半部分的蓝图。

正在进行批量生产的和平卫士导弹

诺斯罗普公司为和平卫士导弹研制的惯性系统使这款射程为14000公里的洲际导弹的精度达到了比（sang）较（xin）先（bing）进（kuang）的120米。

和平卫士洲际弹道导弹的惯导系统的核心部件呈圆球状，被称为惯性参考球。该球体积为0.073立方米，重约50.2千克，由一整块铍金属经过400多道机械加工工序制成，堪称铍制陀螺的巅峰之作。喜欢机械表，喜欢各种精密仪器的同学，一定也会喜欢这家伙的。

和平卫士导弹的惯导球

土星5号火箭上的惯性参考球

1958年，美国对铍的消耗量达到了3.45吨，而1960年又进一步跃升到136吨，这个用量是相当惊人的。要知道，在铍金属大部分应用于原子能工业领域的时期，其年消耗量仅为18千克左右。

噢！说到原子能工业，小火箭刚好就在这里提一下铍在核工业与核武器中的应用了。

当在实验室中需要少量中子时，可把铍用作中子源，无须用到核反应堆或粒子加速器。要产生中子，须对铍目标体进行高能α粒子的撞击，α粒子源可以是钋-210、镭-226、钚-239、镅-241等放射性同位素。α粒子与铍原子核反应之后，铍会嬗变成碳-12，并发射一颗中子。中子的方向接近于原先α粒子的前进方向。这种以α衰变驱动的铍中子源称为海胆型中子引发剂，曾用于早期核武器中。

早期的核武器将一种称为顽童的装置放置在核装药的内部，这个装置主要由钋-210和铍这两种金属制成。钚和铍被一个薄片分开。核装药内爆时，将会压碎顽童，使两部分金属混合在一起，这样钋衰变产生的α粒子会与铍相互反应，从而产生自由中子。中子的轰击引发链式反应，使得巨大的能量被参悟出些许自然奥秘的人类释放出来。

因此，如果说钚能产生熊熊燃烧的火球的话，铍就是将其点燃的火把。

1952年11月1日，美国在马绍尔的埃尼威托克珊瑚岛试爆了世界上第一颗氢弹装置“迈克”。这枚氢弹的爆炸当量为一千零四十万吨TNT。

而小火箭可以说，如果没有铍金属的话，这样的爆炸是难以实现的。用铍来促进原子弹和氢弹的爆炸的技术可以追溯到投向日本的第二颗原子弹上面。

1945年在日本长崎市爆炸的原子弹内含一个钚核，是一枚钚弹。

传统的爆炸是外爆，冲击由爆炸的源头向外传播，而引爆核弹的爆炸是内爆（上图），物体受外部力量的挤压。

而早期氢弹内部，会有一层铍金属制成的球壳紧紧包裹住核反应物质，用来促成内爆并大量反射中子。这种结构类似橙子（里面的果肉相当于核反应物质，外面的薄皮相当于铍金属壳。摄影：邢强）

转眼到了上世纪50年代末。

这是一个铍金属的狂热时代，也是陀螺仪结构快速铍金属化的时代，更是陀螺仪的精度实现进一步突破的时代。

1958年6月，美国海军启动了一项代号为“阳光行动”（Operation Sunshine）的实验。

在该实验中，“鹦鹉螺”号核潜艇经过21天的航行完成了人类首次在冰盖下穿越北极的探索。浮上水面的科研人员惊喜地发现，此次纯惯性导航的误差仅为几海里。（这艘潜艇的名字是为纪念儒勒·凡尔纳的科幻作品《海底两万里》里的潜艇而起的。）这样的精度要归功于一枚刚刚经历过彻底改装的液浮陀螺。上图为小火箭找到的该潜艇航海日志中具有历史意义的一页。注意上面写着的纬度是北纬90°00.0′。（1958年8月3日）

铍金属赋予陀螺仪的不仅有更高的精度，还有更长的寿命。用于“民兵”洲际弹道导弹的气浮陀螺仪除电子元器件和小部分壳体外几乎全部用铍制成，其理论连续可靠工作时间可达1500万小时，约合1712年。（实际上，在“民兵”导弹身上，除惯导系统外，其级间段的壳体、制导舱段等均由铍制成。）

到了上世纪80年代，美国对铍的消耗已达到了每年将近300吨的程度，其他拥核大国和航天大国也有着巨大的铍消耗量。各种惯导系统的核心器件中都少不了铍的身影。

B-52轰炸机的陀螺罗盘的核心部件也是用铍金属制成的。

铍之毒

不过，就像玫瑰虽然美丽却带有扎人的利刺那样，铍金属也是有缺点的。铍不仅昂贵（数倍于钛）还有极强的毒性。

铍从呼吸道或者皮肤伤口进入人体后会引发急性中毒反应。而长期接触微量铍的人员则会产生慢性中毒反应，该反应的潜伏期有时长达数年（均值为5年），之后便以肺部疾病甚至癌症的方式显现出来。

所以，精密仪器仪表和航天工业等部门，在使用铍金属时要特别注意劳动保护，预防铍中毒。

铍之用

自1956年铍金属成为陀螺仪的理想材料至今，仍没有其他任何一种金属材料能够撼动铍在陀螺中的地位。在材料和工艺都难以继续获得突破的时候，要想让陀螺仪的精度进一步的提高，就需要在陀螺的结构设计上有所创新了。在这样的背景下，静电陀螺出现了。

再后来，激光陀螺、光纤陀螺、挠性陀螺都得到了蓬勃发展。

洲际弹道导弹和核弹头的生产在进入21世纪之后，开始锐减，因此铍金属的产量开始下滑。（1998到2008年间，铍的全球年产量从343吨降至约200吨，其中176吨也就是88%产自美国。）

真空铸造的铍金属块在2001年的售价为每磅338美元（即每公斤745美元）。目前，真空包装的1克重的纯度为99.5%的铍金属小球的国内售价为12元。

原本用于机械陀螺与核武器的铍开始在科学探索领域得到了应用。

在粒子物理学方面：

铍的优点有四：密度低，能够减少撞击产物在抵达探测器之前的交互作用；刚性高，射束管内可以维持高真空，从而降低各种气体对实验的干扰；热稳定性高，能够承受绝对零度以上几度的低温；抗磁性，不会干扰用于聚焦和引导粒子束的多极磁系统。

因此，很多探究宇宙本源的实验仪器上面，会大量应用铍。

紧凑μ子线圈侦测器（或简称为CMS）建在法国的地下洞穴中，跨过瑞士边境。建后的侦测器是一个长约21米，直径约16米的筒状结构，重量达12500吨。注意上图右下方的梯子，可以用来感受这个探测器的尺寸。

铍对X射线的吸收率极低，不会在同步加速器能量等级的X射线下过分加热。真空室窗口和同步加速器射束管都完全以铍作为材料。X射线光谱实验的样本固定器一般都以铍制成。

在CMS侦测器中希格斯玻色子衰变的模拟事例重建图。

铍青铜：

在铜里面仅仅加入1.9%~2.15%的铍，就可形成比铜金属的强度高6倍的铍铜合金。铍合金弹性高、热导率高、强度高、硬度高、电导率高、几乎无磁性、抗腐蚀性强、抗疲劳性强，因此用途很广。尤其是在可燃气体附近使用的无火花工具、空间飞行器的结构材料方面，铍合金是很有用的。上图为铍铜合金扳手（在加油站、采气站、火箭燃料仓库等特殊场合使用）。

高端扬声器：

铍的刚度很高，比较适合做高频扬声器驱动器。但由于铍价格昂贵（比钛高几倍），通常只有非常高端的音响设备才会使用含铍的高音扬声器。

太空望远镜：

计划中的詹姆斯韦伯太空望远镜重6.2吨，约为哈勃太空望远镜（11吨）的一半，口径达到6.5米，面积为哈勃太空望远镜的5倍以上。发射升空后，詹姆斯韦伯太空望远镜将定位于离地球150万公里的第2拉格朗日点上，即使出现故障也不可能频繁派遣修理人员。但它位于第2拉格朗日点上，引力相对稳定，故相对于邻近天体来说可以保持不变的位置，不用频繁地进行位置修正，可以更稳定地进行观测，而且还不会受到地球轨道附近灰尘的影响。

詹姆斯韦伯望远镜的主镜被分割成18块六角形的镜片，每个镜面的抛光误差不得超过10纳米；同时镜面也经过专门研磨，使得其能够在遮阳板阴影的极度严寒环境中保持正确形状。

每块镜片背部都装有7个电机，能够在10纳米的精度内调整镜片的形状和方向。而这种拥有高反光度、能够耐受极低温、又轻又坚固的镜子，当然得用铍金属来制成了。

铍之蕴

铍之蕴，饱含了一个崛起强国的苦难和奋进。

在中国准噶尔盆地东北边缘，额尔齐斯河之南，有一个巨大的矿区，名称为可可托海三号矿。这个矿有个别称，叫做“世界地质圣坑”。全世界已知的可开采矿物有140多种，而可可托海三号矿自己，就产出86种。

中国可可托海矿区的铍资源蕴藏量居全国首位，而铯、锂、钽等资源的蕴藏量也稳居全国前十。

上世纪60年代，中国启动了6687工程。（小火箭注：66指项目启动时间为1966年，87指的是该项目在国家重点工程项目中的序列号为87。）

不久，重大的喜讯就在国内的工程界传开了：6687工程在可可托海三号矿发现了01、02和03共3项重要稀有金属矿物。（后来，这些代号逐渐在新中国的原子弹发展和导弹技术的发展中起到了非常重要的作用。实际上，01矿就是用于提炼铍金属的绿柱石，02矿是锂辉石，03矿则是钽铌石。有关钽金属和铌金属在火箭与导弹中的应用，小火箭将在该系列的后续文章中与大家一起讨论。）

可可托海三号矿产出的稀有金属在上世纪60年代，中国偿还苏联外债的艰苦时期，提供了重要的支持。实际上，该矿区产出的稀有金属和宝石占偿还外债总额的比例高达40%。

新中国早期的弹道导弹中的陀螺仪、第一枚原子弹和第一枚氢弹中所用的铍金属，都出自可可托海三号矿（6687-01矿物）；新中国第一枚原子弹用的锂金属用的是可可托海三号矿的6687-02矿；新中国第一颗人造地球卫星所用的铯金属同样出自该矿区。

提到铍，小火箭就想到了这个矿区，想到了老一辈工程师的不易，同时也想对年轻一代的工程师们提出一些期望。

与君共勉。且共同期待更加美好的未来。

感谢大家对小火箭的支持！

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