榮元昭

固體火箭發(fā)動機為什么能成為運載動力“新寵”

榮元昭

8月2日，由中國航天科技集團四院自主研制的我國直徑最大、裝藥量最大、推力最大的固體火箭發(fā)動機——民用航天3米2分段大型固體火箭助推發(fā)動機地面熱試車圓滿成功。試驗的成功，進一步驗證了我國大型分段式固體火箭發(fā)動機設(shè)計方案及其關(guān)鍵技術(shù)，標志著中國已經(jīng)掌握大型固體火箭助推發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)，也表明我國新一代運載火箭固體助推技術(shù)又向前邁進了一大步。這也是繼長征十一號首飛成功、2米分段發(fā)動機工程樣機研制成功后，航天科技四院在推動固體火箭發(fā)動機向民用航天領(lǐng)域拓展進程中的又一里程碑事件。

提起固體火箭，人們總覺得它很神秘。因為它以往主要用于導彈武器上，因而“藏在深閨人難識”。如今用于宇航運載和深空探測的固體發(fā)動機開始走進人們的視野，展露出它強健的體魄和超強的動力。而從無到有、從小到大，制造出這些“大力士”的就是我國固體火箭發(fā)動機重要研制生產(chǎn)單位——中國航天科技集團第四研究院。那么近年來，固體發(fā)動機為什么會逐漸成為航天發(fā)射領(lǐng)域的“新寵”呢？

固體動力的先天“基因”優(yōu)勢

由于固體發(fā)動機具有易實現(xiàn)大推力、可靠性高、發(fā)射操作簡單、使用維護方便等優(yōu)點，作為航天運載火箭動力的重要組成，在世界各國航天運載技術(shù)發(fā)展中均占據(jù)了重要地位、發(fā)揮著重要作用。

機動性強，能夠快速反應。火箭發(fā)展，動力先行?；鸺獙崿F(xiàn)可靠發(fā)射、快速發(fā)射，動力系統(tǒng)是關(guān)鍵。固體火箭動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，發(fā)動機本身就是個推力室，推進劑預裝在燃燒室內(nèi)。對于龐大的火箭發(fā)射系統(tǒng)而言，零件數(shù)量相對于液體火箭更少的固體動力系統(tǒng)，在可靠性和機動性方面有著先天的優(yōu)勢。

由于固體推進劑預先裝填進發(fā)動機內(nèi)，固體火箭運至發(fā)射場，測試完成后即可實施發(fā)射，無須在發(fā)射場提前多天進行燃料和氧化劑加注，也不需要大量地面設(shè)備、資源進行配合與保障，因而可以縮短發(fā)射準備周期，確保安全發(fā)射。

個頭雖小，推力恒定。固體推進劑化學性能更為穩(wěn)定，不怕泄露，對儲存的溫濕度以及力學環(huán)境要求不苛刻，儲存時間正常情況可達5～7年，最長可達十幾年，燃料本身對發(fā)動機殼體幾乎沒有腐蝕性，因此火箭能滿足應急發(fā)射的需要。同時固體火箭推進劑能量密度高，在相同運載能力條件下火箭可以做得更小、更輕，可以提高運輸?shù)撵`活性，使發(fā)射成本降低。

快速機動發(fā)射，有用武之地。

固體運載火箭集長期儲存、檢測快速和便于運輸?shù)奶攸c于一身，正符合機動應急空間發(fā)射一些載荷的需要，機動性強的固體火箭在此有了很大的“用武之地”。由于小衛(wèi)星用中大型液體運載火箭發(fā)射,浪費運力，增加成本。因此，近年來小衛(wèi)星的快速發(fā)展推動了固體運載火箭市場的發(fā)展。

分段對接讓固體助推動力倍增

在運載火箭領(lǐng)域，固體發(fā)動機主要作為全固體運載火箭的主發(fā)動機、捆綁式運載火箭的助推發(fā)動機使用。

全固體運載火箭是實現(xiàn)快速進入空間的主要技術(shù)手段，世界主要航天國家均發(fā)展有成熟的全固體運載火箭。除此之外，固體助推器加液體芯級是國外典型運載火箭動力系統(tǒng)的主要組成方式，目前國外捆綁運載火箭中固體助推器占主體地位。

四院生產(chǎn)的固體火箭發(fā)動機按照燃燒室結(jié)構(gòu)形式，分為整體式固體發(fā)動機和分段式固體發(fā)動機。全固體四級運載火箭已經(jīng)伴隨著長征11參加了首次飛行，成功將多顆小衛(wèi)星送入預定軌道，其獨特的優(yōu)勢已經(jīng)得到驗證。

固體發(fā)動機要真正運用到宇航運載領(lǐng)域，必須要達到更大推力才行。分段式固體發(fā)動機具有推力大、工作時間長、結(jié)構(gòu)尺寸大等特點，是運載火箭實現(xiàn)大起飛推力的有效途徑。同時，采用分段技術(shù)，可大幅降低發(fā)動機技術(shù)難度、研制條件難度以及研制成本。

固體燃料低成本，在同等造價前提下，能比液體助推器產(chǎn)生更大推力。使用固體助推器也有助于減輕火箭總體重量。

作為實現(xiàn)固體發(fā)動機大型化的關(guān)鍵技術(shù)，分段對接技術(shù)在目前國際上被普遍使用。其主要是將燃燒室分成若干段，每段燃燒室獨立絕熱、澆注，最終通過模塊化組合裝配，實現(xiàn)有限直徑內(nèi)大裝藥、大推力的技術(shù)需求。

固體火箭本質(zhì)上就是緩慢燃燒的“炸藥桶”，一旦分段之間的連接部分出現(xiàn)問題，就會導致燃燒不均勻，引發(fā)爆炸。所以分段式固體火箭的制造組裝極為復雜困難。四院科研人員不斷創(chuàng)新、摸索、試驗，相繼攻克了大直徑發(fā)動機分段殼體連接與密封技術(shù)、燃燒室絕熱對接技術(shù)、分段藥柱結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、流動穩(wěn)定分析與控制技術(shù)、長時間工作噴管技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)的掌握在歷次試驗中不斷得到驗證和考核。

—— 鏈接：國外全固體運載和固體助推發(fā)展情況

在運載火箭領(lǐng)域，固體發(fā)動機主要作為全固體運載火箭的主發(fā)動機、捆綁式運載火箭的助推發(fā)動機使用。

全固體運載

全固體運載火箭是實現(xiàn)快速進入空間的主要技術(shù)手段，世界主要航天國家均發(fā)展有成熟的全固體運載火箭。比如美國的“米諾陶”系列固體運載火箭、歐洲的“織女星”火箭和日本“艾普斯龍”三級固體運載火箭。

固體助推器

固體助推器加液體芯級是國外典型運載火箭動力系統(tǒng)的主要組成方式，目前國外捆綁運載火箭中固體助推器占主體地位。比如美國的大力神火箭、宇宙神火箭和航天飛機。其中航天飛機固體助推器是可部分重復使用的大型固體發(fā)動機，總長38.4m、直徑3.71m，分4段，推進劑質(zhì)量503t，真空平均推力達到1176t。

還有歐洲的阿里安5火箭、印度的GSLV-Mark火箭以及日本的H系列火箭。