楊毅強

(北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100076)

0 引言

近年來，小衛(wèi)星市場的蓬勃發(fā)展以及軍事航天領(lǐng)域?qū)焖龠M入空間的迫切需求，使得具有快速響應(yīng)、機動性強、成本低等特點的固體運載火箭成為世界主要航天大國發(fā)展的重點之一［1］。固體運載火箭可滿足軍民兩用小衛(wèi)星的快速、低成本發(fā)射需求，也可用于發(fā)射軌道轉(zhuǎn)移飛行器和高超聲速攻擊武器等各種軍用有效載荷，以支持和保障空間的對抗和作戰(zhàn)［2－4］。本文重點介紹國外固體運載火箭的新進展，并對國內(nèi)發(fā)展固體小型運載火箭提出建議。

1 國外固體運載火箭現(xiàn)狀

1.1 國外運載火箭發(fā)展現(xiàn)狀

目前，以美國、俄羅斯為代表的世界航天強國已擁有了多種具備應(yīng)急快速發(fā)射能力的小型運載火箭，發(fā)射方式涵蓋陸基簡易塔架發(fā)射、公路機動發(fā)射、空中發(fā)射和潛艇發(fā)射等多種方式，可在數(shù)天至數(shù)小時內(nèi)快速將有效載荷送入空間［5］。小型運載火箭中，固體運載火箭結(jié)構(gòu)簡單、射前無需加注推進劑、地面操作方便、可機動、射前生存能力強，在美國、俄羅斯等國都得到了政府和軍方的廣泛重視和應(yīng)用。部分國外發(fā)展的固體運載火箭型譜如圖1所示。

1.1.1 美國

美國在20世紀(jì)50年代末開始研制偵察兵系列固體小型運載火箭，旨在利用已有的成熟導(dǎo)彈技術(shù)，發(fā)展一種價廉可靠的小型運載火箭。該系列火箭1960年首飛，1994年退役。20世紀(jì)90年代，美國一些私營公司相繼推出了“大篷車”、“雅典娜”、“飛馬座”、“金牛座”等固體小型運載火箭，競爭中、小型有效載荷發(fā)射市場。其中，“飛馬座”和“金牛座”充分利用了美國已有的彈道導(dǎo)彈技術(shù)。美國在簽訂《削減戰(zhàn)略武器條約》后，也利用退役的洲際彈道導(dǎo)彈技術(shù)和產(chǎn)品研制出“米諾陶”固體小型運載火箭，專門用于政府有效載荷的發(fā)射。進入21世紀(jì)，隨著新軍事變革的迅猛發(fā)展，快速進入空間成為實現(xiàn)快速空間作業(yè)、快速遠(yuǎn)程精確打擊和空間攻防對抗的基礎(chǔ)。在此背景下，美國空軍開始實施“作戰(zhàn)快速響應(yīng)空間”(ORS)計劃［6－7］，發(fā)展快速響應(yīng)、低成本的小型固體運載火箭成為該計劃的重要組成部分。美空軍專門訂購了具有低成本、快速響應(yīng)能力的“米諾陶”固體運載火箭作為小型有效載荷的主要運載工具。

“米諾陶”系列是4級固體運載火箭，第一、二級采用“民兵”-Ⅱ洲際彈道導(dǎo)彈M55-A和 SR-19發(fā)動機，第三、四級采用來自“飛馬座”XL火箭的“獵戶座”50XL和“獵戶座”38發(fā)動機。該系列火箭設(shè)計結(jié)構(gòu)采用了有效載荷適配器，以適應(yīng)多種有效載荷。

“米諾陶”-I型火箭成本1 800萬美元，在傾角為28.5°、高185 km的近地軌道時，發(fā)射質(zhì)量為580 kg，400 km高的極軌道時，發(fā)射質(zhì)量為318 kg。“米諾陶”-4火箭成本2 000萬美元，在傾角為28.5°、高185 km的極地軌道時，發(fā)射質(zhì)量為1 723 kg，740 km高的極軌道時，發(fā)射質(zhì)量為997 kg。

1.1.2 俄羅斯

俄羅斯在20世紀(jì)90年代初與美蘇簽訂《削減戰(zhàn)略武器條約》后，將削減的彈道導(dǎo)彈改造為運載火箭，成功研制出“起跑號”固體小型運載火箭。

“起跑號”固體運載火箭是以“白楊”洲際彈道導(dǎo)彈技術(shù)為基礎(chǔ)研制的4級固體運載火箭，重約60 000 kg，直徑 φ1.8 m，長28.9 m，其目的是將小型衛(wèi)星送入近地軌道，該火箭具有可機動、整箭貯存、經(jīng)濟性好等特點，最近一次發(fā)射是2006年4月25日，將以色列的EROSB衛(wèi)星發(fā)射入軌。

1.1.3 歐洲

歐洲于1998年批準(zhǔn)研制以固體推進技術(shù)為基礎(chǔ)的“織女號”固體運載火箭，作為阿里安系列大型火箭和聯(lián)盟號中型火箭的補充，用于發(fā)射小型有效載荷，目的是降低發(fā)射成本;其一級大型固體火箭發(fā)動機經(jīng)改進后作為阿里安5改進型火箭的固體助推器。該火箭于2012年2月13日首飛獲得圓滿成功，標(biāo)志著歐洲擁有了滿足中小型有效載荷發(fā)射需求的理想運載火箭，彌補了中型火箭的不足。

“織女號”火箭第一級P80發(fā)動機具有較高的性能。發(fā)動機高約11.2 m，直徑φ3 m，裝有88 t固體推進劑，質(zhì)量比大于0.92，是歐洲新研制的、迄今為止最大的整體式纖維纏繞殼體固體火箭發(fā)動機，代表了整體式大推力固體發(fā)動機的發(fā)展方向。

1.1.4 日本

日本自20世紀(jì)60年代初開始在探空火箭的基礎(chǔ)上研制固體小型運載火箭，至今已經(jīng)研制出L-4S型、M系列和J-1固體小型運載火箭。目前，這三型火箭都已退役，日本正在進行3級先進固體運載火箭“艾普斯龍”(Epsilon)的研制，計劃2013年進行首飛，旨在低成本發(fā)射中型科學(xué)有效載荷，同時滿足快速發(fā)射的需求。

1.1.5 其他國家

印度自1973年開始在探空火箭的基礎(chǔ)上研制固體小型運載火箭:衛(wèi)星運載火箭3(SLV-3)和加大推力衛(wèi)星運載火箭(ASLV)，目前均已退役。

以色列曾研制“沙維特”(Shavit)小型3級固體運載火箭，用于發(fā)射軍事偵察衛(wèi)星，后來又發(fā)展了第二代固體運載火箭“沙維特”-1，這種火箭沿用至今。目前，以色列正在與美國合作研制4級固體運載火箭LK-1。

巴西于1976年成功發(fā)射了2級固體探空火箭Sonda，在1995年加入導(dǎo)彈技術(shù)限制性條約(MTCR)后，研制基于Sonda 4火箭技術(shù)的捆綁式3級固體運載火箭VSL-1。盡管首飛失敗，巴西仍積極尋求國際合作，推進 VLS 計劃［8］。

1.2 國外固體運載火箭技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國外在役的固體運載火箭主要有美國的“金牛座”、“米諾陶”、“飛馬座”和俄羅斯的“起跑號”等，在研的主要有歐洲的“織女號”和日本的Epsilon，這些火箭型號多樣，用途廣泛。隨著固體動力、電子、控制技術(shù)的發(fā)展，固體運載火箭技術(shù)性能逐步提高，主要表現(xiàn)在以下3方面:

(1)運載能力逐步增大，主要用途是發(fā)射中小型有效載荷。

美國20世紀(jì)50年代末所研制的“偵察兵”系列運載火箭的運載能力僅為68 kg/483 km(圓軌道);隨著大推力、長時間的固體動力技術(shù)日益成熟，90年代，“雅典娜”、“金牛座”等已具備一定規(guī)模的運載能力，其中標(biāo)準(zhǔn)型“金牛座”的運載能力為454 kg(極地軌道)。進入21世紀(jì)，美國的主力固體運載火箭“米諾陶”-4的運載能力已達到了1.107 t(太陽同步軌道)，能滿足各類中小型有效載荷的發(fā)射需求。目前，在研的“織女號”的運載能力已達到1.395 t(太陽同步軌道)，Epsilon的運載能力也達到了1.2 t(近地軌道)。

(2)快速發(fā)射能力達到小時級，滿足軍事航天需求。

美國初期研制的“雅典娜”火箭不具備快速發(fā)射能力，而“金牛座”通過簡化操作、優(yōu)化流程，能在72 h內(nèi)完成火箭發(fā)射。俄羅斯的“起跑號”基本按照戰(zhàn)略導(dǎo)彈的思路設(shè)計，采用發(fā)射車地面機動，不依賴于固定的發(fā)射場設(shè)施，即可實施發(fā)射?！帮w馬座”實現(xiàn)了火箭快速反應(yīng)能力的跨越:利用軍用飛機作為發(fā)射平臺，能在4 h內(nèi)完成發(fā)射。

目前，在研的幾種規(guī)模較大的固體運載火箭也著力提高其快速反應(yīng)能力，以滿足軍事航天需求，如日本的Epsilon通過大幅簡化發(fā)射操作，將操作時間降為M-5火箭的1/4，可滿足快速發(fā)射要求。

(3)高可靠、低成本、軍民兩用。

源自固體導(dǎo)彈技術(shù)的固體運載火箭具備高可靠性。共用導(dǎo)彈生產(chǎn)設(shè)施，借用成熟部件，規(guī)模化生產(chǎn)等降低了火箭生產(chǎn)成本。簡便、快速發(fā)射降低了發(fā)射成本，使這些固體火箭在以下領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。一是用于小型有效載荷的低成本、快速機動發(fā)射，如美國的“飛馬座”火箭共進行了40次發(fā)射，成功率92.5%;俄羅斯的“起跑號”共進行了7次發(fā)射，6次成功;“米諾陶”-4火箭用于快速響應(yīng)空間系統(tǒng)的小衛(wèi)星及星座發(fā)射。二是用于發(fā)射政府特定有效載荷，如美國的“米諾陶”-2專門用作美國導(dǎo)彈防御局(MDA)進行導(dǎo)彈攔截試驗的靶彈，“米諾陶”-3則專門用于發(fā)射軍用有效載荷。三是作為其他驗證性試驗的運載平臺，如“飛馬座”空射運載火箭用于發(fā)射X-43高超聲速驗證飛行器，“米諾陶”-4火箭用于發(fā)射高超聲速飛行器HTV-2。

2 固體運載火箭發(fā)展特點和趨勢分析

2.1 低成本、高可靠、快速機動發(fā)射

雖然在大型有效載荷的發(fā)射上無法與液體運載火箭相媲美，但其主要優(yōu)勢是使用靈活、操作簡便，適合作為軍事航天領(lǐng)域的快速響應(yīng)的運載工具，這也是世界軍事航天大國均大力發(fā)展固體運載火箭的主要原因。因此，固體運載火箭首先應(yīng)具有低成本的優(yōu)勢，能大量裝備，批量貯存、使用;其次，要求其可靠性高，可在應(yīng)急條件下快速發(fā)射，可發(fā)射率高;第三，可不依托于固定發(fā)射場發(fā)射，實現(xiàn)陸基機動發(fā)射方式和空基發(fā)射方式共存，具有靈活、高效的優(yōu)勢。

美國空軍目前重點使用“米諾陶”、“飛馬座”發(fā)射軍方小型有效載荷，以滿足快速發(fā)射的需求，這些固體火箭暴露時間短，生存能力強。俄羅斯的“起跑號”可大范圍快速機動發(fā)射，日本新研的Epsilon也具有快速發(fā)射能力。

2.2 與導(dǎo)彈技術(shù)共用、軍民結(jié)合

固體運載火箭的動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測發(fā)控系統(tǒng)均與導(dǎo)彈一脈相承，模塊共用，這使固體運載火箭具有很高的可靠性。同時，因其易于進行模塊組合，從而其研制成本大大降低。如美國的“金牛座”火箭，其一子級采用MX導(dǎo)彈的一級固體發(fā)動機，二、三、四子級采用“飛馬座”一、二、三級固體火箭發(fā)動機;“米諾陶”-1火箭，其一、二子級采用民兵-2導(dǎo)彈的一、二級固體發(fā)動機，三、四子級采用加長型“飛馬座”的二、三級固體發(fā)動機。

美俄在簽署了《削減戰(zhàn)略武器條約》之后，將彈道導(dǎo)彈改裝成能發(fā)射小型衛(wèi)星的固體運載火箭，為戰(zhàn)略導(dǎo)彈的退役處理開拓了一條經(jīng)濟性好、利用率高的技術(shù)途徑。美國的“米諾陶”火箭、俄羅斯的“起跑號”火箭都是在這樣的背景下發(fā)展起來的。因此，“彈改箭”仍將是未來固體小型運載火箭發(fā)展的重要途徑之一。

2.3 與捆綁式運載火箭的大型固體助推技術(shù)共同發(fā)展

美國在開展戰(zhàn)神系列新一代運輸火箭研制的同時，利用ARES-1兩級固體運載火箭的飛行試驗驗證了ARES-5重型捆綁式運載火箭的大型固體助推器相關(guān)技術(shù)，為美國下一代重型運載系統(tǒng)的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。歐洲在固體推進技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展“織女號”小型運載火箭的同時，盡可能使用已經(jīng)為阿里安計劃開發(fā)出的技術(shù)，從而大幅度降低了研制成本?！翱椗枴被鸺牡谝患壊捎眯滦蚉80固體發(fā)動機，這種新型發(fā)動機也可作為阿里安5改進型火箭的助推級。日本在發(fā)展最新的Epsilon火箭時，采用H-2A/2B火箭的SRBA固體捆綁助推器作為一子級。固體運載火箭與主流火箭固體助推器之間的模塊共用，有利于降低火箭研制成本，提高火箭的可靠性。

2.4 模塊化、可擴展化的設(shè)計

新一代固體運載火箭大幅減少箭體冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計、降低成本，使用新技術(shù)提高火箭性能?；鸺O(shè)計過程中，貫穿著模塊化、可擴展的思想?；鸺龑⑾蛑羌涌跇?biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展，實現(xiàn)火箭與載荷之間的“即插即用”。

3 對國內(nèi)運載火箭發(fā)展的啟示

快速進入空間和利用空間是應(yīng)用需求不斷增長的必然，是未來航天領(lǐng)域發(fā)展方向之一，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各航天發(fā)達國家為了保持在運載領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)低成本方便進入空間的理想，以及確保在特殊情況下(如戰(zhàn)時、地質(zhì)災(zāi)害)的快速反應(yīng)和航天能力，運載火箭能機動發(fā)射，運載火箭與有效載荷在數(shù)小時內(nèi)可到達指定發(fā)射區(qū)域，并按照任務(wù)要求發(fā)射。根據(jù)以上對各航天大國在固體運載火箭領(lǐng)域的進展介紹，對目前國內(nèi)運載火箭的構(gòu)建有如下啟示。

3.1 固體和液體運載火箭并存

美國、俄羅斯、歐洲、日本、印度等航天大國均已擁有或即將擁有成熟的固體運載工具。美國有“金牛座”、“米諾陶”和“飛馬座”，俄羅斯有“起跑號”等成熟的固體運載火箭，歐洲今年年初發(fā)射了織女號，日本研制的Epsilon火箭計劃2013年首飛。從發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢看，世界各航天大國，均呈現(xiàn)固體運載火箭與液體運載火箭并存，共同組成完善、系統(tǒng)、科學(xué)、合理的運載火箭體系的局面。

從技術(shù)特點看，固體與液體運載火箭各具優(yōu)勢、互為補充。液體運載能力大，比沖高，推力可調(diào)節(jié)，主要用于發(fā)射大、中型有效載荷。固體運載火箭操作簡單，發(fā)射周期短，發(fā)射成本低，主要用于發(fā)射小型有效載荷。因此，固體與液體運載火箭，在運載能力、響應(yīng)時間、發(fā)射場需求、發(fā)射環(huán)境適應(yīng)性、發(fā)射成本等方面，形成了有效銜接。以運載能力為例，“織女號”SSO運載能力為1.2 t，與阿里安5、聯(lián)盟ST形成了完善的小型、大型、中型的能力型譜。同時，兩者在材料、結(jié)構(gòu)、控制、測量等方面的成果也可互相借鑒，如“織女星”火箭首飛驗證的下一代計算機技術(shù)、控制軟件技術(shù)等新技術(shù)，都可能用于歐洲下一代運載器的研制。

3.2 對現(xiàn)有彈道導(dǎo)彈武器進行改進和技術(shù)引鑒，研制新的運載火箭

與普通商用火箭相比，導(dǎo)彈改裝型火箭的成本低得多。因為火箭由導(dǎo)彈改裝，為適應(yīng)實戰(zhàn)的需要，一般可快速進入發(fā)射，這大大縮短了火箭的發(fā)射進程，適應(yīng)了各國快速進入太空的需求。一箭多星技術(shù)也是由彈道導(dǎo)彈的多彈頭技術(shù)直接移植過來的。俄羅斯呼嘯號運載火箭之所以能夠一箭九星，就是因為SS-19導(dǎo)彈是一種分導(dǎo)式多彈頭導(dǎo)彈。

3.3 運載火箭難度各異、規(guī)律相同

各類運載火箭的技術(shù)難點各不相同。液體運載火箭的技術(shù)難點一般在于系統(tǒng)復(fù)雜度高，先進技術(shù)多。固體運載火箭的技術(shù)難點一般在于固體動力系統(tǒng)研制難度大，箭上設(shè)備小型化、集成化、輕質(zhì)化要求高。為了解決技術(shù)難題，需開展大量的技術(shù)攻關(guān)與試驗驗證工作，因此一般都需較長的研制周期。

總結(jié)世界各國運載火箭的研制歷程，無論大型還是小型，無論難度如何，新型火箭的研制，一般需9～10年的研制周期;具有一定基礎(chǔ)的火箭研制，也需6～7年的研制周期。

3.4 發(fā)展固體運載火箭的同時同步論證研制機動發(fā)射技術(shù)

目前，國外固體運載火箭的機動發(fā)射方式主要有簡易平臺發(fā)射，如美國“金牛座”運載火箭;發(fā)射車發(fā)射方式，如俄羅斯的“起跑號”，配備專門的運輸發(fā)射車，可實現(xiàn)機動發(fā)射;下掛式空射，如美國的“飛馬座”XL，以及俄羅斯的“飛行號”運載火箭，都采用載機下掛式空射。

由于彈改箭技術(shù)廣泛用于固體運載火箭的制造，導(dǎo)彈的公路機動發(fā)射和鐵路機動發(fā)射方式也是固體小運載火箭機動發(fā)射可借鑒使用的。

4 結(jié)束語

“航天發(fā)展，運載先行”，為應(yīng)對復(fù)雜的國際形勢，維護國內(nèi)的航天大國地位，要居安思危，積極謀劃固體運載火箭的發(fā)展。本著“統(tǒng)籌兼顧、量力而行”的原則，做好國內(nèi)固體運載火箭的系列化、型譜化規(guī)劃工作，結(jié)合國內(nèi)的技術(shù)現(xiàn)狀和能力，建立并完善國內(nèi)的固體、液體運載火箭相結(jié)合的完善的航天運輸系統(tǒng)，為構(gòu)建國內(nèi)快速空間信息支援能力和控制空間能力的發(fā)展以及維持國內(nèi)固體產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

［1］Ronald M Sega.Plan for operationally responsive space［C］//A Report for Congressional Defense Committees，2007.

［2］佟艷春，丁文華，楊玉堃.國外固體小型運載火箭主要技術(shù)方案及趨勢分析［J］.國外航天運輸系統(tǒng)，2010(1):10-19.

［3］潘清，廖育榮，等.快速響應(yīng)空間概念與研究進展［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010.

［4］徐鵬.美國快速響應(yīng)作戰(zhàn)發(fā)射技術(shù)的發(fā)展［J］.國際太空，2006(10):18-21.

［5］黃志澄.美國“太空快速響應(yīng)”計劃［J］.國際太空，2006.

［6］張志鴻.美國空間軍事系統(tǒng)發(fā)展新動向［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2006，34(5):1-12.

［7］陳茂良，李家祥.快速響應(yīng)的空間能力:基于美軍ORS計劃的思考［J］.航天航空技術(shù)，2008(9):42-50.

［8］龍樂豪，富大欣，等.世界航天運載器大全(第2版)［M］.北京:中國宇航出版社，2007:807-1369.