固體火箭發動機為什么能成為運載動力“新寵”

榮元昭

固體火箭發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動機——民用航天3米2分段大型固體火箭助推發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動機設計方案及其關鍵技術，標志著中國已經掌握大型固體火箭助推發動機關鍵技術，也表明我國新一代運載火箭固體助推技術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動機向民用航天領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動機重要研制生產單位——中國航天科技集團第四研究院。那么近年來，固體發動機為什么會逐漸成為航天發射領域的“新寵”呢？

固體動力的先天“基因”優勢

由于固體發動機具有易實現大推力、可靠性高、發射操作簡單、使用維護方便等優點，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發展中均占據了重要地位、發揮著重要作用。

機動性強，能夠快速反應。火箭發展，動力先行。火箭要實現可靠發射、快速發射，動力系統是關鍵。固體火箭動力系統結構相對簡單，發動機本身就是個推力室，推進劑預裝在燃燒室內。對于龐大的火箭發射系統而言，零件數量相對于液體火箭更少的固體動力系統，在可靠性和機動性方面有著先天的優勢。

由于固體推進劑預先裝填進發動機內，固體火箭運至發射場，測試完成后即可實施發射，無須在發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備、資源進行配合與保障，因而可以縮短發射準備周期，確保安全發射。

個頭雖小，推力恒定。固體推進劑化學性能更為穩定，不怕泄露，對儲存的溫濕度以及力學環境要求不苛刻，儲存時間正常情況可達5～7年，最長可達十幾年，燃料本身對發動機殼體幾乎沒有腐蝕性，因此火箭能滿足應急發射的需要。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，可以提高運輸的靈活性，使發射成本降低。

快速機動發射，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的特點于一身，正符合機動應急空間發射一些載荷的需要，機動性強的固體火箭在此有了很大的“用武之地”。由于小衛星用中大型液體運載火箭發射,浪費運力，增加成本。因此，近年來小衛星的快速發展推動了固體運載火箭市場的發展。

分段對接讓固體助推動力倍增

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

全固體運載火箭是實現快速進入空間的主要技術手段，世界主要航天國家均發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。

四院生產的固體火箭發動機按照燃燒室結構形式，分為整體式固體發動機和分段式固體發動機。全固體四級運載火箭已經伴隨著長征11參加了首次飛行，成功將多顆小衛星送入預定軌道，其獨特的優勢已經得到驗證。

固體發動機要真正運用到宇航運載領域，必須要達到更大推力才行。分段式固體發動機具有推力大、工作時間長、結構尺寸大等特點，是運載火箭實現大起飛推力的有效途徑。同時，采用分段技術，可大幅降低發動機技術難度、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。

作為實現固體發動機大型化的關鍵技術，分段對接技術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，實現有限直徑內大裝藥、大推力的技術需求。

固體火箭本質上就是緩慢燃燒的“炸藥桶”，一旦分段之間的連接部分出現問題，就會導致燃燒不均勻，引發爆炸。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新、摸索、試驗，相繼攻克了大直徑發動機分段殼體連接與密封技術、燃燒室絕熱對接技術、分段藥柱結構設計技術、流動穩定分析與控制技術、長時間工作噴管技術等關鍵技術，這些技術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展情況

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

全固體運載

全固體運載火箭是實現快速進入空間的主要技術手段，世界主要航天國家均發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動機，總長38.4m、直徑3.71m，分4段，推進劑質量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。