[科普中国]-固体火箭技术

简介

固体火箭（solid rocket）利用固体火箭发动机作动力装置的火箭。固体推进剂火箭的简称。固体火箭发动机属于化学火箭发动机，用固态物质（能源和工质）作为推进剂。固体推进剂 ，点燃后在燃烧室中燃烧，产生高温高压的燃气，即把化学能转化为热能；燃气经喷管膨胀加速，热能转化为动能，以极高的速度从喷管排出从而产生推力推动导弹向前飞行。 固体火箭发动机主要由壳体、固体推进剂、喷管组件、点火装置等四部分组成，其中固体推 进剂配方及成型工艺、 喷管设计及采用材料与制造工艺。

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。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。

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，美国空军开始发展快速响应、低成本的小型固体运载火箭。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。

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 000kg，直径币1．8 m，长28．9 m，其目的是将小型卫星送人近地轨道，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。

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，直径咖3 m，装有88 t固体推进剂，质量比大于O．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。

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。

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，目前均已退役。以色列曾研制“沙维特”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”，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—l。巴西于1976年成功发射了2级固体探空火箭，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。

发展特点低成本、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。

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。

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，实现火箭与载荷之问的“即插即用”。

发展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。

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。

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，一般可快速进人发射，这大大缩短了火箭的发射进程，适应了各国快速进人太空的需求。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。

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。

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1。