固體助推發動機技術研究進展及總體需求分析

佟明羲，劉 偉，寧 雷，劉佳佳，王鵬飛

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

運載發展，總體牽引，動力先行。在我國航天裝備幾十年發展牽引下，固體火箭發動機在設計和試驗技術方面得到了長足的發展，推動了我國航天運輸領域的發展[1-2]，應用于運載火箭主動力、捆綁助推動力、上面級動力、逃逸系統動力、姿軌控動力等方面。尤其作為捆綁助推動力，通過固體助推器數量變化、性能提升以及和與芯級的各種組合，能夠使同一種火箭系列具有很大范圍、不同梯度的運載能力。當前固體助推發動機在提高性能的同時，統籌兼顧經濟性與可靠性實現，進一步滿足降低成本、可重復使用[3-4]等多種需求。本文在系統梳理國外固體助推發動機技術發展現狀的基礎上，重點分析技術發展趨勢和總體需求。

1 國外固體助推發動機技術發展現狀

半個世紀以來，“增大推力、提升性能、降低成本、提高可靠性”一直引領著國外運載火箭固體動力穩步發展[5-6]。據不完全統計，僅美、歐、日、印等國家和地區先后在21型捆綁式運載火箭上使用了固體助推發動機[7-10]。為增大推力，美國發展了大型分段式發動機技術，固體發動機推力達到1 300 t級，歐洲發展了推力500 t級P230發動機。為提升運載系數，美國、歐空局不斷研發新技術，P120C發動機質量比達到0.92以上。為降低成本，歐空局將織女星C火箭Ⅰ級發動機和阿里安6火箭助推器共用，增大批量。為提高可靠性，美國、歐洲開展了以粒子沉積、流動仿真、精細檢測、先進制造等為代表的大量基礎研究，提高產品可靠性。

1.1 美國

美國一直致力于發展大型捆綁式運載火箭固體助推發動機技術，目前已經形成了直徑1～3.7 m、裝藥量30～500 t的系列化固體動力體系，極大地提升了美國的航天運載能力。美國近年來發展并構建了航天發射系統(Space Launch System，SLS)，其Ⅰ期構型的固體助推器RSRMV于2015年3月完成地面試驗，并于2022年11月成功首飛。美國在發展諸如大力神火箭SRMU助推器等大型固體助推器的同時，也在不斷完善德爾塔、宇宙神等小型固體助推器的性能，構建全面的固體助推發動機體系。

SRMU固體助推器總長34 m，直徑3.2 m，裝藥量315.4 t，分3段，真空推力653 t，工作時間135 s，如圖1所示。發動機采用纖維復合材料殼體，分段之間采用金屬環進行對接，金屬環和復合材料殼體之間采用兩道徑向銷釘連接，在確保可靠性和經濟性的同時，進一步提升發動機質量比實現水平。

圖1 SRMU固體助推器Fig.1 SRMU solid rocket booster

RSRMV固體助推器總長47.36 m，直徑3.71 m，裝藥量647 t，分5段，真空推力1 311 t，工作時間132 s，如圖2所示。發動機采用D6AC高強度鋼殼體，為了減小惰性質量并降低成本，還研發了無石棉絕熱層材料，同時通過分段技術應用，滿足大推力使用需求。

圖2 RSRMV固體助推器Fig.2 RSRMV solid rocket booster

1.2 歐洲

歐空局的大型捆綁式運載火箭有阿里安系列的幾種型號。其中，阿里安3和阿里安4火箭所用的固體助推器均屬于小型助推器，直徑約1.1 m，真空推力約70 t。阿里安5火箭發展了直徑3.05 m的大型分段式固體助推器P230，推力達到500 t級，通過液體芯級和固體助推相結合，地球同步轉移軌道運載能力可達10 t。新型阿里安6火箭捆綁性能更加先進的P120C固體助推器(可捆綁2個或者4個，也可作為織女星C火箭一級動力)，其性價比較阿里安5進一步提升[11-14]。

P230固體助推器如圖3所示，直徑3.05 m，總長31.16 m，裝藥量237 t，分3段，真空推力485.1 t，真空比沖274 s。殼體采用48CD4-10高強度鋼，噴管采用柔性噴管，喉徑達到900 mm，采用三維編織碳/碳材料。

圖3 P230固體助推器Fig.3 P230 solid rocket booster

P120C固體助推器如圖4所示，直徑為3.4 m，裝藥量141.6 t，峰值推力500 t，工作時間 135.7 s，采用復合材料殼體。發動機設計時針對內彈道性能開展了基于火箭飛行動壓和運載能力實現的聯合優化，提升了火箭綜合性能水平。

圖4 P120C固體助推器Fig.4 P120C solid rocket booster

1.3 日本

日本近年來發展了1.8 m和2.5 m兩個直徑系列的大型固體助推發動機。其中，用于H-2運載火箭的SRB-A固體助推發動機直徑1.8 m，裝藥量59 t，分4段。

基于SRB-A發動機改進和性能提升，日本研制了SRB-3固體發動機，用于新型H-3運載火箭捆綁的固體助推器。發動機直徑2.5 m，總長15.1 m，真空推力220 t，如圖5所示。

圖5 日本SRB系列固體助推器Fig.5 SRB series solid rocket booster (Japan)

1.4 印度

印度運載火箭近年來技術發展迅猛，依靠大型固體助推發動機的技術優勢，其運載火箭能力在短期內得到快速提升。印度主要發展的S-200型固體助推發動機如圖6所示，直徑3.2 m，長25 m，裝藥量206.7 t，分3段，平均推力426 t，工作時間130 s。該型發動機用于GSLV-MKⅢ運載火箭的固體助推器，于2014年成功完成首次飛行。

圖6 印度S-200型固體助推器Fig.6 S-200 solid rocket booster (India)

2 固體助推發動機技術發展趨勢分析

2.1 國外航天固體動力指標先進，可靠性高，持續向“大推力、高性能、低成本”方向高速發展

國外運載火箭固體動力技術發展迅速，綜合性能指標達到了很高的水平，重視產品研制和技術發展的繼承性，在快速形成運載能力的同時，提高了產品的可靠性。在材料、設計、工藝等多領域開展關鍵技術攻關工作，新技術獲得持續性突破，支撐運載火箭固體動力持續發展。

2.2 大型固體助推器與液體芯級發動機進行組合，大幅簡化運載火箭構型

固體發動機易實現大推力，液體發動機易實現高比沖和推力可調，將二者結合，可充分發揮組合優勢。如表1所示，據不完全統計，國外運載火箭中采用液體芯級發動機與大型固體助推器組合的構型較多，約占總數的81%。

表1 國外助推器

2.3 通過火箭模塊化設計，實現發動機批量生產，基于先進智能生產工藝，降低發動機綜合成本

國外將不同型號火箭使用的固體發動機共用，通過批量化、模塊化生產，降低單臺發動機生產成本。同時，加速增材制造、數字孿生/數字線索、增強/虛擬現實等新興技術的發展，實現智能制造在固體發動機研制全過程的融合應用。

2.4 瞄準發動機性能提升，前沿技術攻關超前布局，不斷推進新技術研發

基于未來運載火箭對動力系統高性能、低成本、高可靠的技術需求[15]，國外針對前沿技術進行布局攻關，發展新型固液混合動力、寬溫域固體動力等關鍵技術，積極探索工程應用的可行性，滿足未來固體動力的發展需求。

3 固體助推發動機總體需求分析

3.1 固體助推發動機技術的發展應適應時代發展

“十四五”期間，我國大力推進航天強國建設，“探月工程”“火星探測”等重大工程及其他民用空間基礎建設項目的實施對大型助推動力提出了“大推力、快響應、高可靠、低成本”的發展方向，將大幅推動固體助推發動機技術的快速發展。

3.2 固體助推發動機技術的發展需有利于火箭總體性能提升與工程實施

在頂層型譜規劃的范圍內，發動機的研制要以具體任務為導向，統籌考慮綜合性能、經濟成本、使用流程等方面，聯合論證發動機的總體技術方案，在充分識別關鍵技術和風險點的基礎上，給出技術攻關方向。

1)通過開展內外彈道聯合優化，如圖7所示，讓發動機參與總體回路的設計和優化，從火箭總體性能最優的目標出發，確定發動機設計參數。已有仿真經驗表明，通過內外彈道聯合優化設計，可提高火箭約4%的運載能力[16]，在提升火箭總體性能水平及設計效率的同時，減小發動機方案迭代次數與性能指標實現難度。

圖7 運載火箭內外彈道聯合優化Fig.7 Joint optimization of rocket and motor

在發動機實現層面，持續推進大型燃燒室整體式裝藥設計、大直徑發動機性能偏差優化設計、分段式輕質化碳纖維殼體設計、大型低力矩柔性噴管設計等關鍵技術攻關[17]，進一步提高發動機裝藥量、工作推力和質量比實現水平，結合內外彈道聯合優化，實現固體火箭動力系統性能跨越式發展。

2)大型固體發動機規模尺寸和噸位顯著提高，需要探索滿足工程實施的大型固體發動機運輸、總裝、起吊等新型使用流程。一方面，受運輸規模限制，依托發射場完成發動機和主要部段的生產，并在發射場完成主要的試驗工作，需要投入的基礎配套建設規模較大；另一方面，發動機裝藥、分段燃燒室在火箭總裝前完成，采用垂直總裝方式，大噸位的模塊化起吊、總裝對發射場建設提出更高要求，增加技術廠房建設規模和工程系統建設成本。

此外，發動機作為固體運載火箭的動力源，同時也是火箭飛行過程中的振動源，需要提前開展大型固體火箭發動機的起飛噪聲、力學環境預示等研究，建議在大型固體發動機試車時開展力、熱、噪聲等實際環境測量與研究工作。

3.3 固體助推發動機技術的發展需著眼于性能水平和經濟性協同提升

發動機的研制應以聯合論證的結果作為輸入，在經濟性和可靠性的雙重約束下，通過設計和生產聯動，確定最終的技術實現路徑。

1)從全箭經費構成上來看，固體動力系統占比很大，通過固體發動機關鍵技術攻關和工藝措施優化，采取面向商業航天的成本控制，可進一步優化火箭成本構成，提升火箭市場競爭力。開展發動機低成本材料優選及適應性開發、綠色低成本推進劑技術、生產工藝簡化與流程優化、先進仿真模擬技術等研究，精簡研制流程，降低研制費用，為低成本航天運輸系統建設提供支撐。

2)為了提高運載火箭在不同任務載荷下的適應性，需要進一步拓展固體發動機規模尺寸，加大開展分段式復合材料殼體發動機技術等研究力度，快速形成多種推力梯度的發動機型譜。通過火箭的模塊化、發動機的產品化和標準化設計，實現發動機的批量化生產，從而降低成本，提高可靠性。

4 結束語

為實現高可靠、低成本、高性能、強任務適應性、便捷使用的目標，給固體助推發動機的發展研制提出了更高的要求。需要結合具體需求，全面策劃，統籌發展，繼續深入開展大型固體發動機的關鍵技術攻關與成本優化控制，助推未來運載火箭整體性能穩步提升。