固体火箭：优势鲜明前景广阔

2023-02-22李烁

太空探索 2023年2期

文/李烁

2022年底，我国快舟十一号固体火箭、捷龙三号固体火箭先后将载荷卫星成功送入预定轨道。随着航天技术蓬勃发展，固体火箭已成为航天运输系统的重要组成部分。相比更常见的液体火箭，固体火箭需要克服哪些技术挑战？又具备哪些鲜明的优势？未来，固体火箭面临着怎样的发展前景呢？

▲ 捷龙三号火箭

▲ 美国米诺陶固体火箭发射瞬间，请注意左侧的“飞天青蛙”

▲ 织女星-C火箭最近遭遇首次商业发射失败

▲ 快舟十一号火箭进行发射前准备

群雄竞技蓬勃发展

固体火箭在运载火箭家族中属于“少数派”，却从未被各航天大国忽视。各方积极进取，发展出一系列很有特色的型号。

美国固体火箭早期基于弹道导弹改进而来，后期结合航天飞机的固体助推器技术，开展了中大型固体火箭方案论证。因此，美国固体火箭往往“别具一格”，包括飞马座空射火箭和大量使用洲际导弹部件的金牛座火箭，以及留下“飞天青蛙”名场面的米诺陶火箭等。

欧空局积极打造织女星系列固体火箭。其中，织女星火箭第一级发动机由阿里安5火箭助推器衍生而来，实现700千米太阳同步轨道运力1.33吨。今年7月13日成功首飞的织女星-C火箭换用了更大的发动机，太阳同步轨道运力达到2.3吨，暂列同类世界第一。

日本固体火箭的代表是“艾普斯龙”，早期型号具备将480千克载荷送入500千米太阳同步轨道的能力。在更换第二、第三级发动机后，增强型艾普斯龙火箭运力达到590千克。

印度利用烈火3弹道导弹的固体发动机技术，研制出SSLV固体火箭，极地轨道运力达到300千克，可惜2022年8月7日首飞失败。

据公开资料显示，我国固体火箭当前处于多单位同步研发的状态。航天科工集团发挥固体发动机技术优势，完成了“开拓者一号”与“快舟”系列研制。其中，快舟十一号固体火箭全箭主体结构采用碳纤维复合材料，700千米太阳同步轨道运载能力不小于1吨，总体技术达到国际先进水平。

航天科技集团的长征十一号火箭在2015年完成首飞，700千米太阳同步轨道运载能力达到350千克，又陆续研制成功“捷龙一号”“捷龙三号”等。其中，捷龙三号火箭实现500千米太阳同步轨道运载能力1.5吨，兼顾海上发射和陆地车载发射，任务适用性强，整箭发射服务每千克载荷价格不超过1万美元，综合性能达到世界一流水平。

随着商业航天发展，“双曲线一号”“谷神星一号”“力箭一号”等固体火箭同样获得任务成功。

纵览各国固体火箭型号特征，由于固体推进剂比冲较低，固体火箭普遍采用多级构型，主要执行近地轨道或太阳同步轨道任务。不过，随着发动机等技术进步，复合材料、机电伺服、集成电子元器件等逐渐推广，固体火箭逐渐体格升级，结构减重见效，开始进入中等载荷发射市场。此外，多国将固体火箭动力系统与大型固体助推器统一规划研发，这样可以显著降低研制、生产成本。

▲ 力箭一号火箭发射瞬间

▲ 捷龙三号火箭开展分段组装

技术挑战不容忽视

固体火箭之所以在运载火箭家族中未能占据主流地位，重要原因是面临着多方面的技术难关，包括高性能大直径固体发动机技术、结构轻量化技术、无依托快速发射技术、敏捷测发及故障检测技术等。

随着固体发动机规模尺寸增大，研制难度将呈几何倍数上升，因此提高质量比、比冲对于提升固体火箭的运载能力尤为关键。一般来讲，固体发动机会根据火箭弹道特点确定最优工作压强、喷管喉径、扩张比等参数，并针对控制需求，开展柔性喷管攻关，基于现有制造水平，考虑各组件设计方案的可实现性。

在箭体结构重量上，火箭历来是“每克必争”。最常见的结构轻量化手段主要是采用轻质材料，比如应用碳纤维复合材料发动机壳体，相比使用钢材，减重可达一半以上。此外，近年来新兴的结构拓扑优化设计、3D打印等技术手段也为火箭减重贡献不小。

固体火箭普遍实施无依托发射，以快速为首要目标，可以摆脱陆上固定发射工位的束缚，兼顾经济性、灵活性和生存性。为此，科研人员必须突破快速运输、快速起竖、快速瞄准、快速测发控和安全导流等技术难关，形成快速机动发射能力。

为满足固体火箭快速发射需求，敏捷测试与发射是非常重要的环节。传统关键流程依赖人员操作辅助和判读，一旦发生故障，还要耗费大量时间排查问题。为了进一步提升发射效率，有必要不断优化发射流程，减少测试环节中的人为数据判读与故障排除，同时增强全箭系统性健康状态感知能力，对故障进行快速定位、诊断与修复。

▲ 捷龙三号火箭在发射船上进行准备工作

多重优势面对未来

相比液体火箭，固体火箭具备多重优势，突出一个“快”字，如果针对某些不足，采取改进、弥补措施，必将拥有更广阔的应用市场和发展前景。

固体火箭推进剂采用固体药柱，具有更稳定、储存更安全的优点，且构型简单可靠，整体研制和发射周期明显比液体火箭更短。这也确保了固体火箭发射服务的履约周期更短，可以提升发射服务品质。

固体火箭广泛应用无依托发射方式，普遍采用三平测发控模式，即水平整体星箭对接、水平整体测试、水平整体运输起竖发射，因此发射准备流程相对简单，又无需加注液体推进剂，发射准备时间更短。而且，固体火箭更容易实现小型化，不仅能够兼顾海陆机动发射，拓展到逐渐兴起的空中试验、发射模式，也具备先天优势。

相比液体火箭发动机，固体火箭发动机结构更简单，仅包括壳体、药柱和喷管等少数部件，加工和材料要求都比较低廉，甚至可以用石墨纤维缠绕制成喷管，利于批量制造，发挥价格优势。而除固体发动机外，固体火箭仅需要少量结构部段和电气等系统，全箭成本显著降低，因此很适合商业航天“入门”。

在姿态控制方面，固体火箭各级一般仅安装1台固体发动机，固定喷管的发动机可采用燃气舵、燃气二次喷射或栅格舵等进行三通道姿态控制，也可采用主发动机柔性喷管摇摆控制俯仰和偏航通道，滚转通道利用固体滚控发动机控制，火箭末级一般利用姿控喷管进行三通道姿态控制，伺服系统体积、重量较小，成本较低。

依托这些优势，固体火箭有望在多方面积极进取，提升能力，降低成本。

固体火箭主要执行近地轨道或太阳同步轨道任务，一方面，市场竞争日益激烈，另一方面，随着中小型载荷发射需求剧增，存在大量“星等箭”情况，迫切需要提升固体火箭的低成本快速履约能力。因此，有必要进一步加强低成本固体火箭设计、研制工作。为了应对市场上大量发射需求，固体火箭可以开展组批生产和批量化研制，建设新模式批量化生产线等。

随着高密度发射任务日益增多，对固体火箭的快速测试与发射能力需求更加迫切，有必要采取新手段解决问题。比如，逐步面向运载火箭全周期管理模式，对全箭异常状况开展实时检测、预测与定位，快速预判并自动隔离故障隐患，保障系统正常运行。无线测发控方案进一步与公共5G网络融合，利用通用便携式计算机的远程控制技术，推出满足“一键式发射”的“智慧火箭”。测量系统则瞄准集成化、网络化、无缆化、高速化、智能化的目标，向新一代测量系统发展。