固體火箭：優(yōu)勢鮮明 前景廣闊

隨著航天技術(shù)蓬勃發(fā)展，固體火箭已成為航天運輸系統(tǒng)的重要組成部分。相比更常見的液體火箭，固體火箭需要克服哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？又具備哪些鮮明的優(yōu)勢？未來，固體火箭面臨著怎樣的發(fā)展前景呢？

捷龍三號火箭

群雄競技蓬勃發(fā)展

固體火箭在運載火箭家族中屬于“少數(shù)派”，卻從未被各航天大國忽視。各方積極進取，發(fā)展出一系列很有特色的型號。

美國固體火箭早期基于彈道導(dǎo)彈改進而來，后期結(jié)合航天飛機的固體助推器技術(shù)，開展了中大型固體火箭方案論證。因此，美國固體火箭往往“別具一格”，包括飛馬座空射火箭和大量使用洲際導(dǎo)彈部件的金牛座火箭，以及留下“飛天青蛙”名場面的米諾陶火箭等。

美國米諾陶固體火箭發(fā)射瞬間，請注意左側(cè)的“飛天青蛙”

歐空局積極打造織女星系列固體火箭。其中，織女星火箭第一級發(fā)動機由阿里安5火箭助推器衍生而來，實現(xiàn)700千米太陽同步軌道運力1.33噸?？椗?C火箭換用了更大的發(fā)動機，太陽同步軌道運力達到2.3噸。

織女星-C火箭

日本固體火箭的代表是“艾普斯龍”，早期型號具備將480千克載荷送入500千米太陽同步軌道的能力。在更換第二、第三級發(fā)動機后，增強型艾普斯龍火箭運力達到590千克。

印度利用烈火3彈道導(dǎo)彈的固體發(fā)動機技術(shù)，研制出SSLV固體火箭，極地軌道運力達到300千克。

據(jù)公開資料顯示，我國固體火箭當前處于多單位同步研發(fā)的狀態(tài)。航天科工集團發(fā)揮固體發(fā)動機技術(shù)優(yōu)勢，完成了“開拓者一號”與“快舟”系列研制。其中，快舟十一號固體火箭全箭主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料，700千米太陽同步軌道運載能力不小于1噸，總體技術(shù)達到國際先進水平。

航天科技集團的長征十一號火箭在2015年完成首飛，700千米太陽同步軌道運載能力達到350千克，又陸續(xù)研制成功“捷龍一號”“捷龍三號”等。其中，捷龍三號火箭實現(xiàn)500千米太陽同步軌道運載能力1.5噸，兼顧海上發(fā)射和陸地車載發(fā)射，任務(wù)適用性強，整箭發(fā)射服務(wù)每千克載荷價格不超過1萬美元，綜合性能達到世界一流水平。

快舟十一號火箭進行發(fā)射前準備

捷龍三號火箭開展分段組裝

隨著商業(yè)航天發(fā)展，“雙曲線一號”“谷神星一號”“力箭一號”等固體火箭同樣獲得任務(wù)成功。

力箭一號火箭發(fā)射瞬間

縱覽各國固體火箭型號特征，由于固體推進劑比沖較低，固體火箭普遍采用多級構(gòu)型，主要執(zhí)行近地軌道或太陽同步軌道任務(wù)。不過，隨著發(fā)動機等技術(shù)進步，復(fù)合材料、機電伺服、集成電子元器件等逐漸推廣，固體火箭逐漸體格升級，結(jié)構(gòu)減重見效，開始進入中等載荷發(fā)射市場。此外，多國將固體火箭動力系統(tǒng)與大型固體助推器統(tǒng)一規(guī)劃研發(fā)，這樣可以顯著降低研制、生產(chǎn)成本。

技術(shù)挑戰(zhàn)不容忽視

固體火箭之所以在運載火箭家族中未能占據(jù)主流地位，重要原因是面臨著多方面的技術(shù)難關(guān)，包括高性能大直徑固體發(fā)動機技術(shù)、結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)、無依托快速發(fā)射技術(shù)、敏捷測發(fā)及故障檢測技術(shù)等。

隨著固體發(fā)動機規(guī)模尺寸增大，研制難度將呈幾何倍數(shù)上升，因此提高質(zhì)量比、比沖對于提升固體火箭的運載能力尤為關(guān)鍵。一般來講，固體發(fā)動機會根據(jù)火箭彈道特點確定最優(yōu)工作壓強、噴管喉徑、擴張比等參數(shù)，并針對控制需求，開展柔性噴管攻關(guān)，基于現(xiàn)有制造水平，考慮各組件設(shè)計方案的可實現(xiàn)性。在箭體結(jié)構(gòu)重量上，火箭歷來是“每克必爭”。最常見的結(jié)構(gòu)輕量化手段主要是采用輕質(zhì)材料，比如應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機殼體，相比使用鋼材，減重可達一半以上。此外，近年來新興的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計、3D打印等技術(shù)手段也為火箭減重貢獻不小。

固體火箭普遍實施無依托發(fā)射，以快速為首要目標，可以擺脫陸上固定發(fā)射工位的束縛，兼顧經(jīng)濟性、靈活性和生存性。為此，科研人員必須突破快速運輸、快速起豎、快速瞄準、快速測發(fā)控和安全導(dǎo)流等技術(shù)難關(guān)，形成快速機動發(fā)射能力。

捷龍三號火箭轉(zhuǎn)運中

為滿足固體火箭快速發(fā)射需求，敏捷測試與發(fā)射是非常重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)關(guān)鍵流程依賴人員操作輔助和判讀，一旦發(fā)生故障，還要耗費大量時間排查問題。為了進一步提升發(fā)射效率，有必要不斷優(yōu)化發(fā)射流程，減少測試環(huán)節(jié)中的人為數(shù)據(jù)判讀與故障排除，同時增強全箭系統(tǒng)性健康狀態(tài)感知能力，對故障進行快速定位、診斷與修復(fù)。

多重優(yōu)勢面對未來

相比液體火箭，固體火箭具備多重優(yōu)勢，突出一個“快”字，如果針對某些不足，采取改進、彌補措施，必將擁有更廣闊的應(yīng)用市場和發(fā)展前景。

固體火箭推進劑采用固體藥柱，具有更穩(wěn)定、儲存更安全的優(yōu)點，且構(gòu)型簡單可靠，整體研制和發(fā)射周期明顯比液體火箭更短。這也確保了固體火箭發(fā)射服務(wù)的履約周期更短，可以提升發(fā)射服務(wù)品質(zhì)。

固體火箭廣泛應(yīng)用無依托發(fā)射方式，普遍采用三平測發(fā)控模式，即水平整體星箭對接、水平整體測試、水平整體運輸起豎發(fā)射，因此發(fā)射準備流程相對簡單，又無需加注液體推進劑，發(fā)射準備時間更短。而且，固體火箭更容易實現(xiàn)小型化，不僅能夠兼顧海陸機動發(fā)射，拓展到逐漸興起的空中試驗、發(fā)射模式，也具備先天優(yōu)勢。

捷龍三號火箭在發(fā)射船上進行準備工作

相比液體火箭發(fā)動機，固體火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)更簡單，僅包括殼體、藥柱和噴管等少數(shù)部件，加工和材料要求都比較低廉，甚至可以用石墨纖維纏繞制成噴管，利于批量制造，發(fā)揮價格優(yōu)勢。而除固體發(fā)動機外，固體火箭僅需要少量結(jié)構(gòu)部段和電氣等系統(tǒng)，全箭成本顯著降低，因此很適合商業(yè)航天“入門”。

在姿態(tài)控制方面，固體火箭各級一般僅安裝1臺固體發(fā)動機，固定噴管的發(fā)動機可采用燃氣舵、燃氣二次噴射或柵格舵等進行三通道姿態(tài)控制，也可采用主發(fā)動機柔性噴管搖擺控制俯仰和偏航通道，滾轉(zhuǎn)通道利用固體滾控發(fā)動機控制，火箭末級一般利用姿控噴管進行三通道姿態(tài)控制，伺服系統(tǒng)體積、重量較小，成本較低。

依托這些優(yōu)勢，固體火箭有望在多方面積極進取，提升能力，降低成本。固體火箭主要執(zhí)行近地軌道或太陽同步軌道任務(wù)，一方面，市場競爭日益激烈，另一方面，隨著中小型載荷發(fā)射需求劇增，存在大量“星等箭”情況，迫切需要提升固體火箭的低成本快速履約能力。因此，有必要進一步加強低成本固體火箭設(shè)計、研制工作。為了應(yīng)對市場上大量發(fā)射需求，固體火箭可以開展組批生產(chǎn)和批量化研制，建設(shè)新模式批量化生產(chǎn)線等。

隨著高密度發(fā)射任務(wù)日益增多，對固體火箭的快速測試與發(fā)射能力需求更加迫切，有必要采取新手段解決問題。比如，逐步面向運載火箭全周期管理模式，對全箭異常狀況開展實時檢測、預(yù)測與定位，快速預(yù)判并自動隔離故障隱患，保障系統(tǒng)正常運行。無線測發(fā)控方案進一步與公共5G網(wǎng)絡(luò)融合，利用通用便攜式計算機的遠程控制技術(shù)，推出滿足“一鍵式發(fā)射”的“智慧火箭”。測量系統(tǒng)則瞄準集成化、網(wǎng)絡(luò)化、無纜化、高速化、智能化的目標，向新一代測量系統(tǒng)發(fā)展。

固體火箭除了追求更大的運載能力，搶占新型載荷市場，還要有效降低單位載荷的發(fā)射成本，實現(xiàn)較高的商業(yè)價值。對此，國內(nèi)固體火箭研制單位均已提出了規(guī)模更大的火箭方案，以期利用規(guī)模效應(yīng)進一步降低發(fā)射成本，提升競爭力。