国外固体运载火箭技术的新进展与启示①

杨毅强

(北京航空航天大学宇航学院，北京 100076)

0 引言

近年来，小卫星市场的蓬勃发展以及军事航天领域对快速进入空间的迫切需求，使得具有快速响应、机动性强、成本低等特点的固体运载火箭成为世界主要航天大国发展的重点之一［1］。固体运载火箭可满足军民两用小卫星的快速、低成本发射需求，也可用于发射轨道转移飞行器和高超声速攻击武器等各种军用有效载荷，以支持和保障空间的对抗和作战［2－4］。本文重点介绍国外固体运载火箭的新进展，并对国内发展固体小型运载火箭提出建议。

1 国外固体运载火箭现状

1.1 国外运载火箭发展现状

目前，以美国、俄罗斯为代表的世界航天强国已拥有了多种具备应急快速发射能力的小型运载火箭，发射方式涵盖陆基简易塔架发射、公路机动发射、空中发射和潜艇发射等多种方式，可在数天至数小时内快速将有效载荷送入空间［5］。小型运载火箭中，固体运载火箭结构简单、射前无需加注推进剂、地面操作方便、可机动、射前生存能力强，在美国、俄罗斯等国都得到了政府和军方的广泛重视和应用。部分国外发展的固体运载火箭型谱如图1所示。

1.1.1 美国

美国在20世纪50年代末开始研制侦察兵系列固体小型运载火箭，旨在利用已有的成熟导弹技术，发展一种价廉可靠的小型运载火箭。该系列火箭1960年首飞，1994年退役。20世纪90年代，美国一些私营公司相继推出了“大篷车”、“雅典娜”、“飞马座”、“金牛座”等固体小型运载火箭，竞争中、小型有效载荷发射市场。其中，“飞马座”和“金牛座”充分利用了美国已有的弹道导弹技术。美国在签订《削减战略武器条约》后，也利用退役的洲际弹道导弹技术和产品研制出“米诺陶”固体小型运载火箭，专门用于政府有效载荷的发射。进入21世纪，随着新军事变革的迅猛发展，快速进入空间成为实现快速空间作业、快速远程精确打击和空间攻防对抗的基础。在此背景下，美国空军开始实施“作战快速响应空间”(ORS)计划［6－7］，发展快速响应、低成本的小型固体运载火箭成为该计划的重要组成部分。美空军专门订购了具有低成本、快速响应能力的“米诺陶”固体运载火箭作为小型有效载荷的主要运载工具。

“米诺陶”系列是4级固体运载火箭，第一、二级采用“民兵”-Ⅱ洲际弹道导弹M55-A和 SR-19发动机，第三、四级采用来自“飞马座”XL火箭的“猎户座”50XL和“猎户座”38发动机。该系列火箭设计结构采用了有效载荷适配器，以适应多种有效载荷。

“米诺陶”-I型火箭成本1 800万美元，在倾角为28.5°、高185 km的近地轨道时，发射质量为580 kg，400 km高的极轨道时，发射质量为318 kg。“米诺陶”-4火箭成本2 000万美元，在倾角为28.5°、高185 km的极地轨道时，发射质量为1 723 kg，740 km高的极轨道时，发射质量为997 kg。

1.1.2 俄罗斯

俄罗斯在20世纪90年代初与美苏签订《削减战略武器条约》后，将削减的弹道导弹改造为运载火箭，成功研制出“起跑号”固体小型运载火箭。

“起跑号”固体运载火箭是以“白杨”洲际弹道导弹技术为基础研制的4级固体运载火箭，重约60 000 kg，直径 φ1.8 m，长28.9 m，其目的是将小型卫星送入近地轨道，该火箭具有可机动、整箭贮存、经济性好等特点，最近一次发射是2006年4月25日，将以色列的EROSB卫星发射入轨。

1.1.3 欧洲

欧洲于1998年批准研制以固体推进技术为基础的“织女号”固体运载火箭，作为阿里安系列大型火箭和联盟号中型火箭的补充，用于发射小型有效载荷，目的是降低发射成本;其一级大型固体火箭发动机经改进后作为阿里安5改进型火箭的固体助推器。该火箭于2012年2月13日首飞获得圆满成功，标志着欧洲拥有了满足中小型有效载荷发射需求的理想运载火箭，弥补了中型火箭的不足。

“织女号”火箭第一级P80发动机具有较高的性能。发动机高约11.2 m，直径φ3 m，装有88 t固体推进剂，质量比大于0.92，是欧洲新研制的、迄今为止最大的整体式纤维缠绕壳体固体火箭发动机，代表了整体式大推力固体发动机的发展方向。

1.1.4 日本

日本自20世纪60年代初开始在探空火箭的基础上研制固体小型运载火箭，至今已经研制出L-4S型、M系列和J-1固体小型运载火箭。目前，这三型火箭都已退役，日本正在进行3级先进固体运载火箭“艾普斯龙”(Epsilon)的研制，计划2013年进行首飞，旨在低成本发射中型科学有效载荷，同时满足快速发射的需求。

1.1.5 其他国家

印度自1973年开始在探空火箭的基础上研制固体小型运载火箭:卫星运载火箭3(SLV-3)和加大推力卫星运载火箭(ASLV)，目前均已退役。

以色列曾研制“沙维特”(Shavit)小型3级固体运载火箭，用于发射军事侦察卫星，后来又发展了第二代固体运载火箭“沙维特”-1，这种火箭沿用至今。目前，以色列正在与美国合作研制4级固体运载火箭LK-1。

巴西于1976年成功发射了2级固体探空火箭Sonda，在1995年加入导弹技术限制性条约(MTCR)后，研制基于Sonda 4火箭技术的捆绑式3级固体运载火箭VSL-1。尽管首飞失败，巴西仍积极寻求国际合作，推进 VLS 计划［8］。

1.2 国外固体运载火箭技术现状

目前，国外在役的固体运载火箭主要有美国的“金牛座”、“米诺陶”、“飞马座”和俄罗斯的“起跑号”等，在研的主要有欧洲的“织女号”和日本的Epsilon，这些火箭型号多样，用途广泛。随着固体动力、电子、控制技术的发展，固体运载火箭技术性能逐步提高，主要表现在以下3方面:

(1)运载能力逐步增大，主要用途是发射中小型有效载荷。

美国20世纪50年代末所研制的“侦察兵”系列运载火箭的运载能力仅为68 kg/483 km(圆轨道);随着大推力、长时间的固体动力技术日益成熟，90年代，“雅典娜”、“金牛座”等已具备一定规模的运载能力，其中标准型“金牛座”的运载能力为454 kg(极地轨道)。进入21世纪，美国的主力固体运载火箭“米诺陶”-4的运载能力已达到了1.107 t(太阳同步轨道)，能满足各类中小型有效载荷的发射需求。目前，在研的“织女号”的运载能力已达到1.395 t(太阳同步轨道)，Epsilon的运载能力也达到了1.2 t(近地轨道)。

(2)快速发射能力达到小时级，满足军事航天需求。

美国初期研制的“雅典娜”火箭不具备快速发射能力，而“金牛座”通过简化操作、优化流程，能在72 h内完成火箭发射。俄罗斯的“起跑号”基本按照战略导弹的思路设计，采用发射车地面机动，不依赖于固定的发射场设施，即可实施发射。“飞马座”实现了火箭快速反应能力的跨越:利用军用飞机作为发射平台，能在4 h内完成发射。

目前，在研的几种规模较大的固体运载火箭也着力提高其快速反应能力，以满足军事航天需求，如日本的Epsilon通过大幅简化发射操作，将操作时间降为M-5火箭的1/4，可满足快速发射要求。

(3)高可靠、低成本、军民两用。

源自固体导弹技术的固体运载火箭具备高可靠性。共用导弹生产设施，借用成熟部件，规模化生产等降低了火箭生产成本。简便、快速发射降低了发射成本，使这些固体火箭在以下领域得到广泛应用。一是用于小型有效载荷的低成本、快速机动发射，如美国的“飞马座”火箭共进行了40次发射，成功率92.5%;俄罗斯的“起跑号”共进行了7次发射，6次成功;“米诺陶”-4火箭用于快速响应空间系统的小卫星及星座发射。二是用于发射政府特定有效载荷，如美国的“米诺陶”-2专门用作美国导弹防御局(MDA)进行导弹拦截试验的靶弹，“米诺陶”-3则专门用于发射军用有效载荷。三是作为其他验证性试验的运载平台，如“飞马座”空射运载火箭用于发射X-43高超声速验证飞行器，“米诺陶”-4火箭用于发射高超声速飞行器HTV-2。

2 固体运载火箭发展特点和趋势分析

2.1 低成本、高可靠、快速机动发射

虽然在大型有效载荷的发射上无法与液体运载火箭相媲美，但其主要优势是使用灵活、操作简便，适合作为军事航天领域的快速响应的运载工具，这也是世界军事航天大国均大力发展固体运载火箭的主要原因。因此，固体运载火箭首先应具有低成本的优势，能大量装备，批量贮存、使用;其次，要求其可靠性高，可在应急条件下快速发射，可发射率高;第三，可不依托于固定发射场发射，实现陆基机动发射方式和空基发射方式共存，具有灵活、高效的优势。

美国空军目前重点使用“米诺陶”、“飞马座”发射军方小型有效载荷，以满足快速发射的需求，这些固体火箭暴露时间短，生存能力强。俄罗斯的“起跑号”可大范围快速机动发射，日本新研的Epsilon也具有快速发射能力。

2.2 与导弹技术共用、军民结合

固体运载火箭的动力系统、控制系统、测发控系统均与导弹一脉相承，模块共用，这使固体运载火箭具有很高的可靠性。同时，因其易于进行模块组合，从而其研制成本大大降低。如美国的“金牛座”火箭，其一子级采用MX导弹的一级固体发动机，二、三、四子级采用“飞马座”一、二、三级固体火箭发动机;“米诺陶”-1火箭，其一、二子级采用民兵-2导弹的一、二级固体发动机，三、四子级采用加长型“飞马座”的二、三级固体发动机。

美俄在签署了《削减战略武器条约》之后，将弹道导弹改装成能发射小型卫星的固体运载火箭，为战略导弹的退役处理开拓了一条经济性好、利用率高的技术途径。美国的“米诺陶”火箭、俄罗斯的“起跑号”火箭都是在这样的背景下发展起来的。因此，“弹改箭”仍将是未来固体小型运载火箭发展的重要途径之一。

2.3 与捆绑式运载火箭的大型固体助推技术共同发展

美国在开展战神系列新一代运输火箭研制的同时，利用ARES-1两级固体运载火箭的飞行试验验证了ARES-5重型捆绑式运载火箭的大型固体助推器相关技术，为美国下一代重型运载系统的建设奠定了基础。欧洲在固体推进技术基础上发展“织女号”小型运载火箭的同时，尽可能使用已经为阿里安计划开发出的技术，从而大幅度降低了研制成本。“织女号”火箭的第一级采用新型P80固体发动机，这种新型发动机也可作为阿里安5改进型火箭的助推级。日本在发展最新的Epsilon火箭时，采用H-2A/2B火箭的SRBA固体捆绑助推器作为一子级。固体运载火箭与主流火箭固体助推器之间的模块共用，有利于降低火箭研制成本，提高火箭的可靠性。

2.4 模块化、可扩展化的设计

新一代固体运载火箭大幅减少箭体冗余结构设计、降低成本，使用新技术提高火箭性能。火箭设计过程中，贯穿着模块化、可扩展的思想。火箭将向着星箭接口标准化的方向发展，实现火箭与载荷之间的“即插即用”。

3 对国内运载火箭发展的启示

快速进入空间和利用空间是应用需求不断增长的必然，是未来航天领域发展方向之一，随着科学技术的迅猛发展，各航天发达国家为了保持在运载领域的技术优势，实现低成本方便进入空间的理想，以及确保在特殊情况下(如战时、地质灾害)的快速反应和航天能力，运载火箭能机动发射，运载火箭与有效载荷在数小时内可到达指定发射区域，并按照任务要求发射。根据以上对各航天大国在固体运载火箭领域的进展介绍，对目前国内运载火箭的构建有如下启示。

3.1 固体和液体运载火箭并存

美国、俄罗斯、欧洲、日本、印度等航天大国均已拥有或即将拥有成熟的固体运载工具。美国有“金牛座”、“米诺陶”和“飞马座”，俄罗斯有“起跑号”等成熟的固体运载火箭，欧洲今年年初发射了织女号，日本研制的Epsilon火箭计划2013年首飞。从发展现状和发展趋势看，世界各航天大国，均呈现固体运载火箭与液体运载火箭并存，共同组成完善、系统、科学、合理的运载火箭体系的局面。

从技术特点看，固体与液体运载火箭各具优势、互为补充。液体运载能力大，比冲高，推力可调节，主要用于发射大、中型有效载荷。固体运载火箭操作简单，发射周期短，发射成本低，主要用于发射小型有效载荷。因此，固体与液体运载火箭，在运载能力、响应时间、发射场需求、发射环境适应性、发射成本等方面，形成了有效衔接。以运载能力为例，“织女号”SSO运载能力为1.2 t，与阿里安5、联盟ST形成了完善的小型、大型、中型的能力型谱。同时，两者在材料、结构、控制、测量等方面的成果也可互相借鉴，如“织女星”火箭首飞验证的下一代计算机技术、控制软件技术等新技术，都可能用于欧洲下一代运载器的研制。

3.2 对现有弹道导弹武器进行改进和技术引鉴，研制新的运载火箭

与普通商用火箭相比，导弹改装型火箭的成本低得多。因为火箭由导弹改装，为适应实战的需要，一般可快速进入发射，这大大缩短了火箭的发射进程，适应了各国快速进入太空的需求。一箭多星技术也是由弹道导弹的多弹头技术直接移植过来的。俄罗斯呼啸号运载火箭之所以能够一箭九星，就是因为SS-19导弹是一种分导式多弹头导弹。

3.3 运载火箭难度各异、规律相同

各类运载火箭的技术难点各不相同。液体运载火箭的技术难点一般在于系统复杂度高，先进技术多。固体运载火箭的技术难点一般在于固体动力系统研制难度大，箭上设备小型化、集成化、轻质化要求高。为了解决技术难题，需开展大量的技术攻关与试验验证工作，因此一般都需较长的研制周期。

总结世界各国运载火箭的研制历程，无论大型还是小型，无论难度如何，新型火箭的研制，一般需9～10年的研制周期;具有一定基础的火箭研制，也需6～7年的研制周期。

3.4 发展固体运载火箭的同时同步论证研制机动发射技术

目前，国外固体运载火箭的机动发射方式主要有简易平台发射，如美国“金牛座”运载火箭;发射车发射方式，如俄罗斯的“起跑号”，配备专门的运输发射车，可实现机动发射;下挂式空射，如美国的“飞马座”XL，以及俄罗斯的“飞行号”运载火箭，都采用载机下挂式空射。

由于弹改箭技术广泛用于固体运载火箭的制造，导弹的公路机动发射和铁路机动发射方式也是固体小运载火箭机动发射可借鉴使用的。

4 结束语

“航天发展，运载先行”，为应对复杂的国际形势，维护国内的航天大国地位，要居安思危，积极谋划固体运载火箭的发展。本着“统筹兼顾、量力而行”的原则，做好国内固体运载火箭的系列化、型谱化规划工作，结合国内的技术现状和能力，建立并完善国内的固体、液体运载火箭相结合的完善的航天运输系统，为构建国内快速空间信息支援能力和控制空间能力的发展以及维持国内固体产业的可持续发展做出贡献。

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