固液混合運(yùn)載火箭：各具特色 殊途同歸

文/陳海鵬 王小錠

縱觀世界航天強(qiáng)國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展歷程，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一直是重要的動(dòng)力系統(tǒng)之一，尤其是在應(yīng)急發(fā)射運(yùn)載火箭和大型助推器領(lǐng)域，具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

運(yùn)載火箭捆綁助推器，主要目的是提高起飛推力，增強(qiáng)運(yùn)載能力，具體又分為捆綁固體助推器和液體助推器。一般來說，液體助推器具有比沖高、結(jié)構(gòu)效率高、可多次點(diǎn)火等優(yōu)點(diǎn)；固體助推器的優(yōu)點(diǎn)是起飛推力大、可靠性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。各國(guó)結(jié)合本國(guó)工業(yè)特點(diǎn)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)實(shí)力，選取了不同的捆綁技術(shù)路線，而運(yùn)載火箭液體芯級(jí)捆綁固體助推器方案最為典型，技術(shù)細(xì)節(jié)值得細(xì)品。

▲ 印度PSLV火箭捆綁6個(gè)助推器

▲ 美國(guó)航天飛機(jī)發(fā)射瞬間

▲ 大力神3E火箭由大力神3C火箭更換上面級(jí)而成

▲ 美國(guó)大力神4B火箭

美國(guó)航天飛機(jī)

介紹國(guó)外運(yùn)載火箭之前，不妨先看看特殊的“固液混合”航天運(yùn)載工具——美國(guó)航天飛機(jī)。

航天飛機(jī)是世界上第一種可重復(fù)使用的航天運(yùn)載器，由軌道飛行器、外掛貯箱和固體助推器等組成。從1981年到2011年，航天飛機(jī)共計(jì)軌道飛行135次，單次近地軌道上行運(yùn)載能力29.5噸。不過，外界往往關(guān)注航天飛機(jī)軌道飛行器，卻忽視了2個(gè)大型固體助推器，其長(zhǎng)度45.46米，直徑3.7米，平均推進(jìn)劑質(zhì)量503.6噸，單個(gè)海平面平均推力達(dá)1289.92噸。

航天飛機(jī)的助推器并聯(lián)捆綁連接在外貯箱上，芯級(jí)與軌道飛行器也采用了并聯(lián)構(gòu)型，極大縮短了總高度，又降低了結(jié)構(gòu)難度，改善了總體剛度。

鮮為人知的是，航天飛機(jī)的運(yùn)載能力一度與研制初期指標(biāo)相差很大，特意采取了多項(xiàng)措施進(jìn)行減重，包括取消外掛貯箱白漆、降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全系數(shù)、采用鋰鋁合金材料、氫箱和箱間段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等；同時(shí)，固體助推器發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用了提高推力室室壓、減小噴口喉部直徑及增加出口面積等措施，增大真空比沖；主發(fā)動(dòng)機(jī)SSME則采用高壓渦輪泵，降低重復(fù)使用次數(shù)，提高使用工況（按109%推力使用），提升運(yùn)載能力。

值得一提的是，航天飛機(jī)的固體助推器是第一種重復(fù)使用的、唯一用于載人航天器的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱分為4段，采用柔性噴管。固體助推器并聯(lián)捆綁在外貯箱兩側(cè)，與外貯箱分離后，拋掉噴管延伸段，通過傘降方式在海上濺落回收，而主降落傘也屬于重復(fù)使用設(shè)備。

美國(guó)大力神系列運(yùn)載火箭

大力神系列火箭是以液體動(dòng)力洲際彈道導(dǎo)彈為基礎(chǔ)研制的，細(xì)分為3A、3B、3C、3D、3E、34D、4A、4B 等多種型號(hào)，主要用于發(fā)射軍用有效載荷。該系列火箭于1959 年首飛，2005年全部退役，服役期間為增加有效推力，部分型號(hào)在液體芯級(jí)處捆綁了2個(gè)大型固體助推器。

作為美國(guó)“固液混合”運(yùn)載火箭的開創(chuàng)者，大力神3C火箭于1965年首飛，起飛時(shí)僅助推器工作，芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)不工作。為安全起見，助推器貢獻(xiàn)足夠能量后，采取推力終止模式，并使用防熱罩，主要目的是防止助推器的高溫燃?xì)饣亓鲹p傷主火箭一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管與底部。為此，在主火箭一級(jí)尾段又增加了防熱罩與蜂窩結(jié)構(gòu)的防熱板。

大力神3C火箭的助推器發(fā)動(dòng)機(jī)上設(shè)有推力向量增壓控制箱。通過推力向量控制活門，作為氧化劑的四氧化二氮會(huì)噴射進(jìn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的固定噴管，使推力向量偏斜，從而實(shí)現(xiàn)助推器姿態(tài)控制。隨著技術(shù)進(jìn)步，大力神4B火箭將固定噴管改為冗余液壓推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)的液壓擺動(dòng)噴管，擺動(dòng)幅度達(dá)±6度，提高了姿態(tài)控制效率。

美國(guó)改進(jìn)型一次性運(yùn)載火箭

20世紀(jì)90年代，美國(guó)空軍提出了改進(jìn)型一次性運(yùn)載火箭研制計(jì)劃，目標(biāo)是降低發(fā)射成本，提高可靠性，滿足國(guó)內(nèi)需求的同時(shí)，爭(zhēng)奪國(guó)際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)。該計(jì)劃催生了德爾它4和宇宙神5兩大系列運(yùn)載火箭，通過采用模塊化設(shè)計(jì)思想和先進(jìn)的動(dòng)力、控制技術(shù)等，降低了發(fā)射成本。

▲ 德爾它4中型火箭

▲ 德爾它4重型火箭

德爾它系列火箭由彈道導(dǎo)彈改良而成。其中，德爾它4火箭于2002年11月首飛，根據(jù)任務(wù)需求，又細(xì)分為中型系列和重型系列，中型火箭選擇捆綁2個(gè)或4個(gè)GEM-60固體助推器，重型火箭捆綁通用核心助推器。固體助推器具備固定和矢量噴管，利用主火箭上的 RS-68 液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行姿態(tài)控制，通過伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管擺動(dòng)，提供俯仰與偏航通道的控制力矩，依靠渦輪排出的燃?xì)鈬娚溥M(jìn)行滾動(dòng)控制。

宇宙神5火箭在2002年8月首飛，其近地軌道運(yùn)載能力覆蓋10.3～20.5噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力覆蓋4.0～13.5噸。該系列火箭全部采用二級(jí)構(gòu)型，針對(duì)不同發(fā)射要求，在主芯級(jí)捆綁不同數(shù)量的固體助推器，或進(jìn)行芯級(jí)并聯(lián)，再根據(jù)載荷使用不同的上面級(jí)。

通過發(fā)動(dòng)機(jī)控制器轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴擺角，宇宙神5火箭完成火箭俯仰、偏航和滾動(dòng)控制。不過，宇宙神5火箭的固體助推器不參與控制過程，“單純”提高推力。助推器數(shù)量增加后，火箭最大動(dòng)壓隨之升高，宇宙神5火箭芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)可通過節(jié)流來限制動(dòng)壓，在起飛后數(shù)十秒內(nèi)，芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力可降至標(biāo)稱值的60%。

通過芯級(jí)捆綁不同數(shù)量的固體助推器，兩大系列火箭都形成運(yùn)載能力階梯。宇宙神5火箭甚至發(fā)射過捆綁單個(gè)助推器的不對(duì)稱構(gòu)型，當(dāng)時(shí)固體助推器發(fā)動(dòng)機(jī)噴口有向外的傾斜角度，以保證起飛推力過火箭質(zhì)心，可以說是“斜著”起飛的。

該計(jì)劃仍未止步，后續(xù)替代型號(hào)是火神系列火箭，芯一級(jí)采用BE-4液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，芯二級(jí)采用RL-10液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，按需求捆綁最多6個(gè)固體助推器，近地軌道運(yùn)載能力有望達(dá)到28.4～30.3噸。

美國(guó)“戰(zhàn)神”與“太空發(fā)射系統(tǒng)”

隨著使用經(jīng)驗(yàn)積累和意外事故頻發(fā)，美國(guó)航天飛機(jī)逐漸受到多方面質(zhì)疑。戰(zhàn)神系列火箭被設(shè)計(jì)用于替代航天飛機(jī)，仍采用傳統(tǒng)的火箭加飛船模式。

▲ 宇宙神5火箭捆綁單個(gè)助推器起飛

▲ 宇宙神5火箭“正?！睒?gòu)型起飛

▲ 火神火箭發(fā)射想象圖

▲ 戰(zhàn)神1-X火箭是戰(zhàn)神系列火箭的技術(shù)驗(yàn)證型號(hào)

戰(zhàn)神系列火箭于 2009 年試飛，規(guī)劃戰(zhàn)神1火箭是串聯(lián)式載人登月火箭，第一級(jí)可復(fù)用；戰(zhàn)神5火箭則是“星座”計(jì)劃中的重型貨運(yùn)火箭，采用兩級(jí)全氫氧芯級(jí)捆綁大推力固體助推器的構(gòu)型方案，捆綁2個(gè)5段式助推器。其固體助推器RSRMV發(fā)動(dòng)機(jī)是當(dāng)時(shí)世界上最大的分段式固體發(fā)動(dòng)機(jī)，沿用并改進(jìn)自航天飛機(jī)助推器。發(fā)動(dòng)機(jī)總長(zhǎng)47米，直徑3.71米，推進(jìn)劑質(zhì)量630噸。通過2套液壓萬向伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為噴管提供動(dòng)力，完成俯仰、偏航和滾動(dòng)姿態(tài)控制。

隨著2010年“星座”計(jì)劃取消，戰(zhàn)神系列火箭夭折，但其技術(shù)方案并未被放棄，從中可以看出不久后的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）重型火箭的設(shè)計(jì)思路。

2010年起，美國(guó)宇航局授權(quán)法案設(shè)想將“星座”計(jì)劃的戰(zhàn)神1火箭和戰(zhàn)神5火箭設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成單一載人或貨物使用的重型運(yùn)載火箭，這就是如今風(fēng)頭正勁的“太空發(fā)射系統(tǒng)”。這款重型火箭近地軌道最大載貨能力將達(dá)到130噸，載人版近地軌道運(yùn)載目標(biāo)達(dá)70噸，采用4臺(tái)RS-25D/E液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，即航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)型，捆綁2個(gè)從戰(zhàn)神火箭延續(xù)下來的改進(jìn)型5段式RSRMV固體助推器。

“太空發(fā)射系統(tǒng)”號(hào)稱“史上最強(qiáng)運(yùn)載火箭”，但進(jìn)度一再拖延，今年多次發(fā)射演練失敗，未來演練和發(fā)射計(jì)劃不明。

歐空局阿里安系列運(yùn)載火箭

阿里安系列火箭于1979 年首次發(fā)射，由最初的串聯(lián)式過渡到捆綁式，近地軌道有效載荷范圍覆蓋1.4～20.1噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道有效載荷范圍為1.8～6.8噸。

歐空局目前主要利用阿里安5火箭發(fā)射大型有效載荷，其固體助推器總長(zhǎng)26.774米，直徑約3.05米，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間129秒，由3個(gè)分段的燃燒室和大型柔性噴管組成。在研的阿里安6火箭也采用“固液混合”構(gòu)型，直徑5.4米，近地軌道運(yùn)載能力約20噸，特意降低了設(shè)計(jì)載重，力爭(zhēng)使制造費(fèi)用比阿里安5火箭降低30%。

阿里安系列火箭捆綁固體助推器，不僅增大了推力和運(yùn)載能力，還提高了火箭控制效率。阿里安1到阿里安4火箭只通過芯一級(jí) 4 臺(tái)液體發(fā)動(dòng)機(jī)的伺服機(jī)構(gòu)控制噴嘴完成俯仰、偏航和滾動(dòng)通道姿態(tài)控制，噴管最大擺角范圍為±5.8度。阿里安5火箭通過芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和助推器發(fā)動(dòng)機(jī)噴管擺動(dòng)，共同完成俯仰和偏航通道姿態(tài)控制，通過芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)上的補(bǔ)助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)通道控制，推力矢量控制系統(tǒng)推動(dòng)助推器噴管作俯仰和偏航方向擺動(dòng)，擺角為±6度。

▲ 太空發(fā)射系統(tǒng)重型火箭

日本H-2系列運(yùn)載火箭

H-2系列運(yùn)載火箭于1994 年首飛，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，根據(jù)不同發(fā)射任務(wù)要求，組合不同芯級(jí)與固體助推器。

基本型H-2火箭捆綁2枚固體助推器，助推器長(zhǎng)23.4米，直徑1.8米，分4段，裝藥量59噸。H-2A火箭捆綁2枚大型固體助推器，助推器長(zhǎng)15.2米，直徑2.5米，裝藥量65噸。H-2B火箭通過捆綁4枚固體助推器，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力達(dá)8噸。在研的H-3火箭也采用“固液混合”構(gòu)型，近地軌道運(yùn)載能力有望達(dá)到25噸。

基本型H-2火箭捆綁助推器方案有一些特殊之處，其固體助推器噴管采用異戊二烯橡膠柔性連接，通過液壓作動(dòng)器使得噴嘴擺動(dòng)范圍為±5度，進(jìn)而與芯級(jí)LE-7發(fā)動(dòng)機(jī)共同對(duì)火箭進(jìn)行推力矢量控制。

此外，H-2A火箭捆綁的SRB-A助推器是現(xiàn)役火箭采用的最大整體式固體助推器，可提供整箭起飛推力的80%，還使用機(jī)電作動(dòng)器代替了液壓作動(dòng)器，控制更靈敏精確。

SRB-A助推器的連接和分離方式也比較特別。機(jī)架焊接在火箭一子級(jí)液氫貯箱的圓柱段上，其徑向推力分量由前段偏航支桿和尾部偏航支桿傳遞到該機(jī)架及一子級(jí)尾段的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架上，軸向推力分量通過推力支桿傳遞給一子級(jí)尾段發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架橫梁的突緣，受力結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠。助推器分離時(shí)，首先啟動(dòng)分離發(fā)動(dòng)機(jī)，然后通電，切斷前段、尾部偏航支桿連接處的火工品，通過分離發(fā)動(dòng)機(jī)推力使助推器在推力桿的支撐下離開運(yùn)載火箭，向外側(cè)偏移。而后，推力桿也被切斷，實(shí)現(xiàn)助推器完全分離。

印度SLV系列運(yùn)載火箭

▲ 太空發(fā)射系統(tǒng)重型火箭近日因測(cè)試失敗，發(fā)射再次延遲

▲ 歐空局阿里安5火箭發(fā)射瞬間

▲ 日本H-2A火箭升空

▲ 印度GSLV Mk3火箭

印度從1973年開始在探空火箭的基礎(chǔ)上研制入軌級(jí)運(yùn)載火箭，重點(diǎn)是“印度衛(wèi)星運(yùn)載火箭”（SLV）大型捆綁式運(yùn)載火箭，至今已經(jīng)發(fā)展出4個(gè)系列，分別為SLV-3、ASLV、PSLV、GSLV火箭。

其中，“固液混合”的GSLV Mk3火箭捆綁2個(gè)助推器后，成為印度最強(qiáng)勁的運(yùn)載火箭，近地軌道有效載荷范圍2.1～10噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道有效載荷范圍1～4噸。GSLV系列火箭均通過液體發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴轉(zhuǎn)動(dòng)和固體發(fā)動(dòng)機(jī)的推力矢量控制系統(tǒng)共同完成俯仰、偏航和滾動(dòng)姿態(tài)控制。

引人注目的PSLV火箭被戲稱為“最典型的固液混合火箭”。為發(fā)射太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，它不惜采用4級(jí)主芯級(jí)捆綁6臺(tái)固體助推器的復(fù)雜方案，主火箭第一級(jí)、第三級(jí)為固體發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)、第四級(jí)使用液體發(fā)動(dòng)機(jī)。該火箭俯仰和偏航通道姿態(tài)控制由安裝在芯一級(jí)上的24 個(gè)噴射閥門輔助，啟動(dòng)全軸向多孔二次噴射推力矢量控制系統(tǒng)。

“固液混合”技術(shù)面面觀

液體火箭芯級(jí)捆綁固體助推器方案在國(guó)外航天界獲得廣泛應(yīng)用，最大的原因是有利于同時(shí)發(fā)揮固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)大推力、液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高性能的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，通過捆綁不同數(shù)量的固體助推器，實(shí)現(xiàn)階梯式起飛推力需求。

固體助推器大部分采用分段式固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)有限直徑內(nèi)大裝藥量、大推力的技術(shù)指標(biāo)。助推器均采用標(biāo)準(zhǔn)中間段設(shè)計(jì)，通過中間段的增減以及前后段的適應(yīng)性調(diào)整，實(shí)現(xiàn)不同的助推能力。此外，國(guó)外正在應(yīng)用的固體助推器發(fā)動(dòng)機(jī)主要以三組元丁羥（HTPB）推進(jìn)劑，全軸擺動(dòng)柔性噴管已普及。

不過，除美國(guó)航天飛機(jī)外，固體助推器一般不考慮重復(fù)使用。

隨著固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)直徑、裝藥量加大，總體設(shè)計(jì)遇到更多難關(guān)，需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒情況、內(nèi)流場(chǎng)、熱結(jié)構(gòu)、連接結(jié)構(gòu)、仿真分析等復(fù)雜因素。分段對(duì)接已經(jīng)是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)大型化的重要技術(shù)手段，科研單位需重點(diǎn)解決分段殼體加工過程中的變形協(xié)調(diào)與大變形問題、可靠密封問題、分段式發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定燃燒問題以及固體助推器推力不平衡問題等。

“固液混合”運(yùn)載火箭的芯級(jí)與助推器的匹配性至關(guān)重要，一方面要考慮結(jié)構(gòu)布局匹配效果，降低捆綁推力不平衡的影響，確保有效防止芯級(jí)過熱，導(dǎo)致性能損失等。捆綁助推器后，火箭外形的改變導(dǎo)致氣動(dòng)更復(fù)雜，需開展氣動(dòng)特性匹配，減小由助推器產(chǎn)生的阻力，盡可能提高運(yùn)載火箭的穩(wěn)定性。

隨著固體助推器尺寸增大及推力提升，其控制能力也需相應(yīng)增強(qiáng)。從美國(guó)、歐空局的主流設(shè)計(jì)趨勢(shì)可以看出，大部分“固液混合”火箭的新型助推器發(fā)動(dòng)機(jī)不再只是提供推力，還會(huì)與主芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合起來，對(duì)運(yùn)載火箭進(jìn)行全方位姿態(tài)控制。另一方面，箭體振動(dòng)方程也需要考慮捆綁助推器后的擺動(dòng)情況，使得彈性振動(dòng)形式更復(fù)雜，給“固液混合”火箭的彈性振動(dòng)穩(wěn)定性控制帶來了更大的難度。

總體來看，國(guó)外“固液混合”火箭出現(xiàn)殊途同歸的發(fā)展趨勢(shì)，但各國(guó)技術(shù)水平、航天應(yīng)用傳統(tǒng)、任務(wù)需求等不盡相同，火箭組合方案也呈現(xiàn)出各自特色。