和液体火箭相比，固体火箭的优势在哪里？

2024 年 7 月 12 日，西安航空学院教师梁毅辰在科普中国星空讲坛陕西专场“探秘星空 触摸未来”带来演讲《火箭心，陕西造》。

梁毅辰在演讲现场

以下是梁毅辰的演讲节选：

俄国火箭专家齐奥尔科夫斯基曾说，固体燃料火箭不适合航天飞行，要想航天，只能用液体燃料火箭。

不过，这个说法在当时那个年代没什么问题，因为当时固体火箭太弱了。而如今，人类已经成功地使用固体火箭把卫星送上了天，无论是航天飞机还是SLS（太空火箭发射系统），都离不开固体火箭的帮助。

固体火箭和液体火箭的差别在哪里？

固体火箭和液体火箭的差别在哪里？这要从它们的构造说起。

其实，只要是火箭发动机，不管是液体发动机还是固体发动机，都要把氧化剂和燃烧剂放在一个空间里点燃，这样就会产生大量的燃气，靠燃气喷出反冲来获得动力。

不同的是，在液体火箭里，氧化剂和燃烧剂是分开放的，而且这两个都是液态，需要首先把它们送进燃烧室混在一起再点燃。而固体火箭不一样，固体火箭里面的氧化剂和燃烧剂，是直接混合在一起，凝固成为一个固体，在需要的时候直接点着就可以了。

因为燃料需要做成固体，并且要容易加工和容易存放，所以固体火箭的燃料里除了氧化剂和燃烧机，还要加粘合剂、增塑剂、固化剂、抗老化剂、稳定剂等等，这就意味着，固体火箭带的燃料里，并不是所有成分都是用来燃烧的。

而且，即使是氧化剂和燃烧剂，也不能乱使用。第一，不能选“即使加了粘合剂也不可能变成固体”的成分，比如氢和氧。第二，不能选那种“混在一起不用点火直接就能着”的成分，比如偏二甲肼和四氧化二氮。一来二去，固体火箭的效率就不那么高。当然，随着技术发展，也出现了各种先进的固体燃料，让固体火箭的效率直线上升，但依然没办法超过主流的液体火箭。

如何衡量火箭的性能？

说到火箭的效率，这就涉及到另外一个衡量火箭性能的标准，那就是比冲。

所谓比冲，就是指火箭燃烧一定的燃料能够产生多少冲量。这里可以类比一下汽车的百公里耗油量，比冲越高，意味着这个火箭越省燃料，效率越高。通常固体火箭的比冲要比液体火箭低。

而且，固体火箭还有一个问题，就是推力不像液体火箭那样容易控制。液体火箭的燃料就像水龙头里的水，阀门开大点，就多点，推力就猛点，阀门开小就少点，推力就弱点，想要关机，咔，阀门拧死，就关了。

固体燃料可就不一样了，一旦点着，就没那么容易熄灭了，而且也没法随时控制燃料的多少。这种情况下，只能用固体燃料的形状来控制推力。

固体火箭发动机外面有一个壳子，里面装着燃料，后面是个喷口，而推力的控制一般就是靠药柱的形状。

对于固体来说，燃烧面积越大，燃烧速度越快，就像煤面儿烧起来要比烧煤球快得多。所以，如果是一个圆柱体药柱从头烧到尾，那么燃烧速度基本从头到尾一样，推力也变化不大，这种就是最简单的额端燃式，也就是从一端开始燃烧。

我们还可以设计药柱的形状，让它从外往里烧或从里往外烧或两边同时烧，随着燃料燃烧，燃烧面积会变化，燃烧速度和推力也会随之变化。比如翼柱型装药，刚开始烧的时候，燃烧面积很大，燃烧速度快、推力大，但是烧着烧着，燃烧面积就只剩下周围一圈，推力就变小了，这种固体火箭发动机一般都是战术导弹上用，因为起飞时需要很高的推力来赶快加速到控制系统可以起控的速度，等到速度加上去了，推力就没有必要那么大了，而且这时候因为烧了一部分燃料，重量也轻了一些，所以就需要推力小一点，烧得慢一点，因此推力就得设计成前面大后面小。

固体火箭的优势？

说了半天，我们还是要说下固体火箭的优势。

液体火箭需要的准备时间比较长。因为必须得在发射之前，先把燃料灌注到燃料箱里面。这个加注燃料的过程，少则几十分钟，多则几个小时，对于战术行动来说，容易耽搁时间。

那么，能不能让燃料一直就在燃料箱里面待着呢？也不太能。比如目前最常见的液体火箭燃料组合一般有偏二甲肼系列，属于常温推进剂，比较方便存放，所以目前液体火箭或导弹用的一般是这种。但即便如此，还是不能提前把它们放进导弹，因为具有很强的腐蚀性，而且剧毒，漏了不是小事儿。再比如低温推进剂的液氧煤油，里面的液氧温度要低于零下183度，这就给储存带来了难度，一旦灌进火箭，就得不停给它降温，而且一边灌，它会一边蒸发，我们还得一边补。

而固体火箭虽然比冲小，推力控制不方便，但好处是可以提前造好放在那里，想点立刻就点，所以特别适合战术行动。也特别适合于战略导弹。

另外，与液体火箭相比，固体火箭还有一个优势，就是可以更容易地爆发出更大的推力。这与液体火箭发动机的结构更复杂有关。固体火箭可以相对简单地通过加大燃料的燃烧面积以及壳体与尾喷管的强度来提升推力，而液体火箭不仅需要维持燃烧室里面的燃烧稳定，还需要更复杂的结构来输送燃料，现在，世界上早就已经有了单台推力超过1000吨的固体火箭发动机，而目前推力最大的液体火箭发动机推力也不过800多吨。

作者丨梁毅辰 西安航空学院讲师

审核丨周炳红 中国科学院国家空间科学中心研究员