固体火箭推进技术发展的几点思考

2021-11-25叶定友薛朋飞闫大庆

固体火箭技术 2021年4期

叶定友，薛朋飞，闫大庆

(1.中国航天科技集团有限公司第四研究院，西安 710025；2.西安航天信息研究所，西安 710025)

0 引言

固体火箭发动机凭借其结构简单、可靠性高、便于机动部署、快速响应、维护使用方便等诸多优点，现已成为战略/战术导弹武器的主要动力装置，其性能高低决定了导弹武器的精确打击和生存突防能力，是直接关系到武器装备作战效能和威慑力实现的重要基础和前提。同时，固体火箭发动机在航天领域也具有独特的优势，是航天运载火箭系统的重要动力源，国外大型或重型捆绑式运载火箭多将其作为首选助推动力，在当前运载火箭动力发展中占有举足轻重的地位[1]。

21世纪以来，世界各国继承或研发了众多在役典型固体火箭发动机[2-5]，其应用包括美国陆基战略导弹民兵Ⅲ，潜地战略导弹三叉戟ⅡD5，地空反导导弹泰德、“标准-3”、“爱国者PAC-3”[2-3]；俄罗斯的陆基战略导弹导弹白杨M、“先锋”高超声速洲际战略导弹，潜地战略导弹布拉瓦，地空反导导弹S-300、S-400、S-500[2]；法国潜地战略导弹M51[4]；新型主力运载火箭美国SLS、欧洲阿里安6、日本H-3等[1,6]。同时，也发展快速进入空间的中小型运载火箭，大部分也都使用了先进的固体火箭推进技术，以“飞马座”、“起点-1”、“织女星”、艾普西隆等为典型代表[5]。近年来，印度固体火箭推进技术方面也取得了较大进步，研发了各种射程的地地、潜地导弹和大型固体火箭助推器[2]。我国也发展了以固体火箭发动机为动力的各种导弹和运载火箭，如东风系列固体地地导弹、巨浪系列固体潜地导弹和长征十一号、捷龙、快舟系列等运载火箭。此外，我国长征系列有些运载火箭的上面级和卫星变轨发动机也采用固体火箭发动机。综上可见，固体火箭推进技术的应用越来越广泛。

世界各国高度重视固体火箭推进技术的发展。所应用的固体火箭发动机也出现了模块化、通用化和系列化发展趋势[2,6,7]。这些先进的高性能固体火箭发动机主要采用了以HTPB或HTPB+HMX(RDX)为代表的中能复合推进剂，以NEPE或HTPB+HMX+ADN或(AlH3)为代表的高能推进剂；高装填的翼柱药型；高性能有机纤维或碳纤维复合材料壳体；低密度EPDM内绝热层；多维编织的C/C喷管喉衬及扩散段、延伸锥，先进喷管推力矢量控制技术及轻质的热结构材料；安全可靠的点火装置技术等。近年来，低易损固体发动机(以低易损或钝感推进剂、低易损复合材料壳体设计为重点)、可控可调固体发动机(电控推进、光控推进、燃氧分离式推进、电磁控制推进、化学阵列式推进、凝胶推进)、跨空域跨介质的多模态组合发动机等新兴推进技术概念也逐渐开始工程化研究与应用[6,8,10]。

总体而言，当前固体火箭发动机的一般技术比较成熟，有些发动机已达到相当高的技术水平，进入了批量生产装备和系列化发展阶段，基本可以满足需求。

为推动固体火箭推进技术的进一步发展以及为新一代武器装备和航天运载提供先进的固体动力，近年来，美国、欧洲等航天强国实施了一系列研究发展基础计划[8-9]，如美国的战略系统维持计划(TSSS)、综合高性能火箭推进演示计划(IHPRPT)及其后续“用于21世纪的火箭推进”(RP21)计划、工业基础分析与维持计划(IBAS)、NASA《2015技术路线图草案》；欧洲的“地平线2020”(Horizon 2020)规划、未来运载器准备计划(FLPP)、空间推进用高性能固体推进剂(HISP)计划及其后续、运载器用绿色先进高能推进剂(GRAIL)计划等。通过这些计划，逐步建立了未来先进固体火箭推进技术发展路线图，继续牵引和促进固体火箭推进技术发展与相关工业基础能力建设。

我国固体火箭推进技术的发展途径虽然与西方国家大致相同，但起步较晚，又受到西发达国家的严密技术封锁，可参考技术资料或文献相对较少。经过60多年坚持不懈的自力更生、艰苦奋斗和全国大力协同，走出了从无到有、从小到大、从弱到强的独立自主创新发展之路，发动机设计与研究、推进剂及装药工艺技术、发动机材料和工艺、发动机质量控制、性能测试和试验技术等均已基本掌握，并建设了比较配套的研发和生产设施。但与国外先进技术相比，尤其是直径3 m以上大型固体火箭发动机技术，在发动机、推进剂、材料的先进设计方法与先进精细化制造工艺，以及试验测试技术等方面还有一定的差距。目前，我们正处于承上启下、全面建设现代化强国的新征程中，现就固体火箭推进技术如何发展、研发工作如何开展的问题提出几点看法，供讨论和思考。

1 固体火箭推进技术发展问题的几点思考

(1) 系统优化设计目标，力求总体性能最优，而非个别指标最高

高比冲、高质量比是固体发动机性能追求的重要指标。当前一些先进发动机地面比冲已达260～265 s，高空比冲已达296～300 s，质量比已达0.91～0.94[5-6]。现阶段，在颠覆性新技术、新材料、新工艺没有出现的条件下，固体火箭发动机性能进一步提高的难度看起来会越来越大，而需付出的代价也会更大。

仅就固体推进剂而言，要进一步提高其能量，取得前一时期那样的台阶式突破，难度甚大。一段时间以来，针对新的高能组分或体系，各国、各单位都在研制攻关，有些还制出初步样品和试制产品，但使用过程中表现出的稳定性、相容性、安全性和成效性却往往制约了其快速应用。因此，有必要打破现有传统思维。例如，可在保持现有推进剂能量性能和力学性质的同时，探索大力提高推进剂的伸长率与密度、降低压强指数与温度敏感系数、开发含能的燃速调节剂等技术途径，这可能同样有利于促进固体火箭发动机综合性能的提高,有利于进一步提高燃烧效率和喷管转化效率。

(2) 着重提高固体发动机研制的精细化水平，实现高质量、高可靠的总体研制目标

目前来看，固体发动机性能预示精度还有进一步提高的空间，如果推力-时间曲线的预示精度达到3%～4%、比冲预示精度达±9.8 N·s/kg，主要通过控制和提高推力上升段、下降段和后效段预示精度的某些办法，那么这些性能参数精度的提高，也将促进导弹或火箭总体性能的提升[6,11]。

事实上，随着化学、燃烧学、流体力学、结构力学、材料及计算科学、制造测试技术和智能信息技术的发展，固体发动机设计已从经验型向大数据支持的智能优化设计模式转变，涉及材料基因组构建与应用、发动机结构参数化/变量化建模计算与仿真、推进剂分子设计与模拟等；在实现固体火箭发动机设计的制造过程中，也大量采用数控/远控操作与自动记录、自动化缠绕、自动化铺丝或自动化铺带等复合材料先进制造技术、固体推进剂增材制造技术、复合材料光固化原位快速成型技术、自动化装配与检测技术等先进技术。一方面，减少或消除面对面和手工操作引起的质量安全不稳定因素；另一方面，进一步提高固体发动机的精细化研制水平。

(3) 认清推力可调可控与能量管理技术的固体发动机重要发展方向

传统的固体火箭发动机为一次性动力装置，一旦工作难以停止，推力可控性也较差，难以实现能量最优化配置。一直以来，导弹武器或火箭总体为获得更好的弹道性能和使用性能，往往要求发动机推力大小与方向实时可调可控，可实现多次重复点火等高效的能量管理。目前，各种大小不同和用途各异的可多次点火启动的多脉冲固体发动机、单室多推力固体发动机、可变推力固体发动机、高性能姿轨控固体发动机、固体发动机新推力矢量控制技术等的发展方兴未艾[6,8,10]。同时，这些动向也促进了特种推进剂、燃气发生剂、特种材料和制造新技术的发展。为此，推力控制与能量管理技术已成为国内外固体火箭发动机领域的研究热点之一，西方某些国家也开始将其用于导弹发动机[3]。

(4)智能化发展迅速，需要加快谋划行业布局

人工智能、大数据、云计算、5G网络、区块链等先进信息技术发展迅速，我国也已经开始广泛应用[8-10]。有鉴于此，我们应提前谋划，及早布局，组织队伍在固体火箭发动机智能化设计与制造、智能化控制与能量自管理、状态自感知、智能化检测与试验、产品智能化等方面开展集智攻关和深入研究，使固体推进行业技术和产品融合利用好这一波信息技术的创新成果。

(5)继续开展固体发动机使用性能研究

固体火箭发动机使用性能对保证武器装备的安全可靠性、战场生存能力和减少人员设备的损失具有十分重要的意义。针对当前及未来越来越复杂的使用环境，如何有效满足各种使用环境，如何进行使用寿命和安全性精准可靠的评估，如何得出满意的可用性结论，这仍然是固体火箭发动机研制中面临的重大课题。

(6)处理好需求牵引与主动创新相结合的关系

航天发展和国防现代化对固体火箭推进技术的需求是本专业领域发展的主要推动力。对此，应梳理出关键技术，组织研制队伍，定出计划，协力攻关。

同时，也要大力鼓励自主创新发展，支持一批新概念、新动力、新技术的研发与储备。以此不仅为新一代动力发展提供基础，也可促进新一代武器装备和航天运载的创新发展。

(7)处理好分工、协作与竞争关系

我国经过几十年的自力更生和艰苦奋斗，已研制出满足以往各种需求的固体发动机技术及相关产品，积累了丰富的经验，形成了一定的研制基础。面对未来发展需求，并在我国社会主义市场经济条件下，如何处理好行业内分工、协作与竞争的关系，走出一条符合我国国情的、有序的、快速高效的中国特色固体火箭推进技术发展道路，是一个值得我们深入思考和全行业长期关注的关键问题。