固體火箭發(fā)動機(jī)為什么能成為運(yùn)載動力“新寵”

榮元昭

固體火箭發(fā)動機(jī)為什么能成為運(yùn)載動力“新寵”

榮元昭

8月2日，由中國航天科技集團(tuán)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(jī)——民用航天3米2分段大型固體火箭助推發(fā)動機(jī)地面熱試車圓滿成功。試驗(yàn)的成功，進(jìn)一步驗(yàn)證了我國大型分段式固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計方案及其關(guān)鍵技術(shù)，標(biāo)志著中國已經(jīng)掌握大型固體火箭助推發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，也表明我國新一代運(yùn)載火箭固體助推技術(shù)又向前邁進(jìn)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(jī)工程樣機(jī)研制成功后，航天科技四院在推動固體火箭發(fā)動機(jī)向民用航天領(lǐng)域拓展進(jìn)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?yàn)樗酝饕糜趯?dǎo)彈武器上，因而“藏在深閨人難識”。如今用于宇航運(yùn)載和深空探測的固體發(fā)動機(jī)開始走進(jìn)人們的視野，展露出它強(qiáng)健的體魄和超強(qiáng)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(jī)重要研制生產(chǎn)單位——中國航天科技集團(tuán)第四研究院。那么近年來，固體發(fā)動機(jī)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(jī)具有易實(shí)現(xiàn)大推力、可靠性高、發(fā)射操作簡單、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，作為航天運(yùn)載火箭動力的重要組成，在世界各國航天運(yùn)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(jī)動性強(qiáng)，能夠快速反應(yīng)?；鸺l(fā)展，動力先行。火箭要實(shí)現(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(jī)本身就是個推力室，推進(jìn)劑預(yù)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(jī)動性方面有著先天的優(yōu)勢。

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

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

快速機(jī)動發(fā)射，有用武之地。

固體運(yùn)載火箭集長期儲存、檢測快速和便于運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)于一身，正符合機(jī)動應(yīng)急空間發(fā)射一些載荷的需要，機(jī)動性強(qiáng)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(yùn)載火箭發(fā)射,浪費(fèi)運(yùn)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(yùn)載火箭市場的發(fā)展。

分段對接讓固體助推動力倍增

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

全固體運(yùn)載火箭是實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)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(yùn)載火箭。除此之外，固體助推器加液體芯級是國外典型運(yùn)載火箭動力系統(tǒng)的主要組成方式，目前國外捆綁運(yùn)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(jī)按照燃燒室結(jié)構(gòu)形式，分為整體式固體發(fā)動機(jī)和分段式固體發(fā)動機(jī)。全固體四級運(yùn)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(yù)定軌道，其獨(dú)特的優(yōu)勢已經(jīng)得到驗(yàn)證。

固體發(fā)動機(jī)要真正運(yùn)用到宇航運(yùn)載領(lǐng)域，必須要達(dá)到更大推力才行。分段式固體發(fā)動機(jī)具有推力大、工作時間長、結(jié)構(gòu)尺寸大等特點(diǎn)，是運(yùn)載火箭實(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)固體發(fā)動機(jī)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(dú)立絕熱、澆注，最終通過模塊化組合裝配，實(shí)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(dǎo)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(fù)雜困難。四院科研人員不斷創(chuàng)新、摸索、試驗(yàn)，相繼攻克了大直徑發(fā)動機(jī)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(yàn)中不斷得到驗(yàn)證和考核。

—— 鏈接：國外全固體運(yùn)載和固體助推發(fā)展情況

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

全固體運(yùn)載

全固體運(yùn)載火箭是實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)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(yùn)載火箭。比如美國的“米諾陶”系列固體運(yùn)載火箭、歐洲的“織女星”火箭和日本“艾普斯龍”三級固體運(yùn)載火箭。

固體助推器

固體助推器加液體芯級是國外典型運(yùn)載火箭動力系統(tǒng)的主要組成方式，目前國外捆綁運(yùn)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(jī)。其中航天飛機(jī)固體助推器是可部分重復(fù)使用的大型固體發(fā)動機(jī)，總長38.4m、直徑3.71m，分4段，推進(jìn)劑質(zhì)量503t，真空平均推力達(dá)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。