固体火箭发动机为什么能成为运载动力“新宠”

荣元昭

固体火箭发动机为什么能成为运载动力“新宠”

荣元昭

8月2日，由中国航天科技集团四院自主研制的我国直径最大、装药量最大、推力最大的固体火箭发动机——民用航天3米2分段大型固体火箭助推发动机地面热试车圆满成功。试验的成功，进一步验证了我国大型分段式固体火箭发动机设计方案及其关键技术，标志着中国已经掌握大型固体火箭助推发动机关键技术，也表明我国新一代运载火箭固体助推技术又向前迈进了一大步。这也是继长征十一号首飞成功、2米分段发动机工程样机研制成功后，航天科技四院在推动固体火箭发动机向民用航天领域拓展进程中的又一里程碑事件。

提起固体火箭，人们总觉得它很神秘。因为它以往主要用于导弹武器上，因而“藏在深闺人难识”。如今用于宇航运载和深空探测的固体发动机开始走进人们的视野，展露出它强健的体魄和超强的动力。而从无到有、从小到大，制造出这些“大力士”的就是我国固体火箭发动机重要研制生产单位——中国航天科技集团第四研究院。那么近年来，固体发动机为什么会逐渐成为航天发射领域的“新宠”呢？

固体动力的先天“基因”优势

由于固体发动机具有易实现大推力、可靠性高、发射操作简单、使用维护方便等优点，作为航天运载火箭动力的重要组成，在世界各国航天运载技术发展中均占据了重要地位、发挥着重要作用。

机动性强，能够快速反应。火箭发展，动力先行。火箭要实现可靠发射、快速发射，动力系统是关键。固体火箭动力系统结构相对简单，发动机本身就是个推力室，推进剂预装在燃烧室内。对于庞大的火箭发射系统而言，零件数量相对于液体火箭更少的固体动力系统，在可靠性和机动性方面有着先天的优势。

由于固体推进剂预先装填进发动机内，固体火箭运至发射场，测试完成后即可实施发射，无须在发射场提前多天进行燃料和氧化剂加注，也不需要大量地面设备、资源进行配合与保障，因而可以缩短发射准备周期，确保安全发射。

个头虽小，推力恒定。固体推进剂化学性能更为稳定，不怕泄露，对储存的温湿度以及力学环境要求不苛刻，储存时间正常情况可达5～7年，最长可达十几年，燃料本身对发动机壳体几乎没有腐蚀性，因此火箭能满足应急发射的需要。同时固体火箭推进剂能量密度高，在相同运载能力条件下火箭可以做得更小、更轻，可以提高运输的灵活性，使发射成本降低。

快速机动发射，有用武之地。

固体运载火箭集长期储存、检测快速和便于运输的特点于一身，正符合机动应急空间发射一些载荷的需要，机动性强的固体火箭在此有了很大的“用武之地”。由于小卫星用中大型液体运载火箭发射,浪费运力，增加成本。因此，近年来小卫星的快速发展推动了固体运载火箭市场的发展。

分段对接让固体助推动力倍增

在运载火箭领域，固体发动机主要作为全固体运载火箭的主发动机、捆绑式运载火箭的助推发动机使用。

全固体运载火箭是实现快速进入空间的主要技术手段，世界主要航天国家均发展有成熟的全固体运载火箭。除此之外，固体助推器加液体芯级是国外典型运载火箭动力系统的主要组成方式，目前国外捆绑运载火箭中固体助推器占主体地位。

四院生产的固体火箭发动机按照燃烧室结构形式，分为整体式固体发动机和分段式固体发动机。全固体四级运载火箭已经伴随着长征11参加了首次飞行，成功将多颗小卫星送入预定轨道，其独特的优势已经得到验证。

固体发动机要真正运用到宇航运载领域，必须要达到更大推力才行。分段式固体发动机具有推力大、工作时间长、结构尺寸大等特点，是运载火箭实现大起飞推力的有效途径。同时，采用分段技术，可大幅降低发动机技术难度、研制条件难度以及研制成本。

固体燃料低成本，在同等造价前提下，能比液体助推器产生更大推力。使用固体助推器也有助于减轻火箭总体重量。

作为实现固体发动机大型化的关键技术，分段对接技术在目前国际上被普遍使用。其主要是将燃烧室分成若干段，每段燃烧室独立绝热、浇注，最终通过模块化组合装配，实现有限直径内大装药、大推力的技术需求。

固体火箭本质上就是缓慢燃烧的“炸药桶”，一旦分段之间的连接部分出现问题，就会导致燃烧不均匀，引发爆炸。所以分段式固体火箭的制造组装极为复杂困难。四院科研人员不断创新、摸索、试验，相继攻克了大直径发动机分段壳体连接与密封技术、燃烧室绝热对接技术、分段药柱结构设计技术、流动稳定分析与控制技术、长时间工作喷管技术等关键技术，这些技术的掌握在历次试验中不断得到验证和考核。

—— 链接：国外全固体运载和固体助推发展情况

在运载火箭领域，固体发动机主要作为全固体运载火箭的主发动机、捆绑式运载火箭的助推发动机使用。

全固体运载

全固体运载火箭是实现快速进入空间的主要技术手段，世界主要航天国家均发展有成熟的全固体运载火箭。比如美国的“米诺陶”系列固体运载火箭、欧洲的“织女星”火箭和日本“艾普斯龙”三级固体运载火箭。

固体助推器

固体助推器加液体芯级是国外典型运载火箭动力系统的主要组成方式，目前国外捆绑运载火箭中固体助推器占主体地位。比如美国的大力神火箭、宇宙神火箭和航天飞机。其中航天飞机固体助推器是可部分重复使用的大型固体发动机，总长38.4m、直径3.71m，分4段，推进剂质量503t，真空平均推力达到1176t。

还有欧洲的阿里安5火箭、印度的GSLV-Mark火箭以及日本的H系列火箭。