固體火箭推進技術發展的幾點思考

葉定友，薛朋飛，閆大慶

(1.中國航天科技集團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

固體火箭發動機憑借其結構簡單、可靠性高、便于機動部署、快速響應、維護使用方便等諸多優點，現已成為戰略/戰術導彈武器的主要動力裝置，其性能高低決定了導彈武器的精確打擊和生存突防能力，是直接關系到武器裝備作戰效能和威懾力實現的重要基礎和前提。同時，固體火箭發動機在航天領域也具有獨特的優勢，是航天運載火箭系統的重要動力源，國外大型或重型捆綁式運載火箭多將其作為首選助推動力，在當前運載火箭動力發展中占有舉足輕重的地位[1]。

21世紀以來，世界各國繼承或研發了眾多在役典型固體火箭發動機[2-5]，其應用包括美國陸基戰略導彈民兵Ⅲ，潛地戰略導彈三叉戟ⅡD5，地空反導導彈泰德、“標準-3”、“愛國者PAC-3”[2-3]；俄羅斯的陸基戰略導彈導彈白楊M、“先鋒”高超聲速洲際戰略導彈，潛地戰略導彈布拉瓦，地空反導導彈S-300、S-400、S-500[2]；法國潛地戰略導彈M51[4]；新型主力運載火箭美國SLS、歐洲阿里安6、日本H-3等[1,6]。同時，也發展快速進入空間的中小型運載火箭，大部分也都使用了先進的固體火箭推進技術，以“飛馬座”、“起點-1”、“織女星”、艾普西隆等為典型代表[5]。近年來，印度固體火箭推進技術方面也取得了較大進步，研發了各種射程的地地、潛地導彈和大型固體火箭助推器[2]。我國也發展了以固體火箭發動機為動力的各種導彈和運載火箭，如東風系列固體地地導彈、巨浪系列固體潛地導彈和長征十一號、捷龍、快舟系列等運載火箭。此外，我國長征系列有些運載火箭的上面級和衛星變軌發動機也采用固體火箭發動機。綜上可見，固體火箭推進技術的應用越來越廣泛。

世界各國高度重視固體火箭推進技術的發展。所應用的固體火箭發動機也出現了模塊化、通用化和系列化發展趨勢[2,6,7]。這些先進的高性能固體火箭發動機主要采用了以HTPB或HTPB+HMX(RDX)為代表的中能復合推進劑，以NEPE或HTPB+HMX+ADN或(AlH3)為代表的高能推進劑；高裝填的翼柱藥型；高性能有機纖維或碳纖維復合材料殼體；低密度EPDM內絕熱層；多維編織的C/C噴管喉襯及擴散段、延伸錐，先進噴管推力矢量控制技術及輕質的熱結構材料；安全可靠的點火裝置技術等。近年來，低易損固體發動機(以低易損或鈍感推進劑、低易損復合材料殼體設計為重點)、可控可調固體發動機(電控推進、光控推進、燃氧分離式推進、電磁控制推進、化學陣列式推進、凝膠推進)、跨空域跨介質的多模態組合發動機等新興推進技術概念也逐漸開始工程化研究與應用[6,8,10]。

總體而言，當前固體火箭發動機的一般技術比較成熟，有些發動機已達到相當高的技術水平，進入了批量生產裝備和系列化發展階段，基本可以滿足需求。

為推動固體火箭推進技術的進一步發展以及為新一代武器裝備和航天運載提供先進的固體動力，近年來，美國、歐洲等航天強國實施了一系列研究發展基礎計劃[8-9]，如美國的戰略系統維持計劃(TSSS)、綜合高性能火箭推進演示計劃(IHPRPT)及其后續“用于21世紀的火箭推進”(RP21)計劃、工業基礎分析與維持計劃(IBAS)、NASA《2015技術路線圖草案》；歐洲的“地平線2020”(Horizon 2020)規劃、未來運載器準備計劃(FLPP)、空間推進用高性能固體推進劑(HISP)計劃及其后續、運載器用綠色先進高能推進劑(GRAIL)計劃等。通過這些計劃，逐步建立了未來先進固體火箭推進技術發展路線圖，繼續牽引和促進固體火箭推進技術發展與相關工業基礎能力建設。

我國固體火箭推進技術的發展途徑雖然與西方國家大致相同，但起步較晚，又受到西發達國家的嚴密技術封鎖，可參考技術資料或文獻相對較少。經過60多年堅持不懈的自力更生、艱苦奮斗和全國大力協同，走出了從無到有、從小到大、從弱到強的獨立自主創新發展之路，發動機設計與研究、推進劑及裝藥工藝技術、發動機材料和工藝、發動機質量控制、性能測試和試驗技術等均已基本掌握，并建設了比較配套的研發和生產設施。但與國外先進技術相比，尤其是直徑3 m以上大型固體火箭發動機技術，在發動機、推進劑、材料的先進設計方法與先進精細化制造工藝，以及試驗測試技術等方面還有一定的差距。目前，我們正處于承上啟下、全面建設現代化強國的新征程中，現就固體火箭推進技術如何發展、研發工作如何開展的問題提出幾點看法，供討論和思考。

1 固體火箭推進技術發展問題的幾點思考

(1) 系統優化設計目標，力求總體性能最優，而非個別指標最高

高比沖、高質量比是固體發動機性能追求的重要指標。當前一些先進發動機地面比沖已達260～265 s，高空比沖已達296～300 s，質量比已達0.91～0.94[5-6]。現階段，在顛覆性新技術、新材料、新工藝沒有出現的條件下，固體火箭發動機性能進一步提高的難度看起來會越來越大，而需付出的代價也會更大。

僅就固體推進劑而言，要進一步提高其能量，取得前一時期那樣的臺階式突破，難度甚大。一段時間以來，針對新的高能組分或體系，各國、各單位都在研制攻關，有些還制出初步樣品和試制產品，但使用過程中表現出的穩定性、相容性、安全性和成效性卻往往制約了其快速應用。因此，有必要打破現有傳統思維。例如，可在保持現有推進劑能量性能和力學性質的同時，探索大力提高推進劑的伸長率與密度、降低壓強指數與溫度敏感系數、開發含能的燃速調節劑等技術途徑，這可能同樣有利于促進固體火箭發動機綜合性能的提高,有利于進一步提高燃燒效率和噴管轉化效率。

(2) 著重提高固體發動機研制的精細化水平，實現高質量、高可靠的總體研制目標

目前來看，固體發動機性能預示精度還有進一步提高的空間，如果推力-時間曲線的預示精度達到3%～4%、比沖預示精度達±9.8 N·s/kg，主要通過控制和提高推力上升段、下降段和后效段預示精度的某些辦法，那么這些性能參數精度的提高，也將促進導彈或火箭總體性能的提升[6,11]。

事實上，隨著化學、燃燒學、流體力學、結構力學、材料及計算科學、制造測試技術和智能信息技術的發展，固體發動機設計已從經驗型向大數據支持的智能優化設計模式轉變，涉及材料基因組構建與應用、發動機結構參數化/變量化建模計算與仿真、推進劑分子設計與模擬等；在實現固體火箭發動機設計的制造過程中，也大量采用數控/遠控操作與自動記錄、自動化纏繞、自動化鋪絲或自動化鋪帶等復合材料先進制造技術、固體推進劑增材制造技術、復合材料光固化原位快速成型技術、自動化裝配與檢測技術等先進技術。一方面，減少或消除面對面和手工操作引起的質量安全不穩定因素；另一方面，進一步提高固體發動機的精細化研制水平。

(3) 認清推力可調可控與能量管理技術的固體發動機重要發展方向

傳統的固體火箭發動機為一次性動力裝置，一旦工作難以停止，推力可控性也較差，難以實現能量最優化配置。一直以來，導彈武器或火箭總體為獲得更好的彈道性能和使用性能，往往要求發動機推力大小與方向實時可調可控，可實現多次重復點火等高效的能量管理。目前，各種大小不同和用途各異的可多次點火啟動的多脈沖固體發動機、單室多推力固體發動機、可變推力固體發動機、高性能姿軌控固體發動機、固體發動機新推力矢量控制技術等的發展方興未艾[6,8,10]。同時，這些動向也促進了特種推進劑、燃氣發生劑、特種材料和制造新技術的發展。為此，推力控制與能量管理技術已成為國內外固體火箭發動機領域的研究熱點之一，西方某些國家也開始將其用于導彈發動機[3]。

(4)智能化發展迅速，需要加快謀劃行業布局

人工智能、大數據、云計算、5G網絡、區塊鏈等先進信息技術發展迅速，我國也已經開始廣泛應用[8-10]。有鑒于此，我們應提前謀劃，及早布局，組織隊伍在固體火箭發動機智能化設計與制造、智能化控制與能量自管理、狀態自感知、智能化檢測與試驗、產品智能化等方面開展集智攻關和深入研究，使固體推進行業技術和產品融合利用好這一波信息技術的創新成果。

(5)繼續開展固體發動機使用性能研究

固體火箭發動機使用性能對保證武器裝備的安全可靠性、戰場生存能力和減少人員設備的損失具有十分重要的意義。針對當前及未來越來越復雜的使用環境，如何有效滿足各種使用環境，如何進行使用壽命和安全性精準可靠的評估，如何得出滿意的可用性結論，這仍然是固體火箭發動機研制中面臨的重大課題。

(6)處理好需求牽引與主動創新相結合的關系

航天發展和國防現代化對固體火箭推進技術的需求是本專業領域發展的主要推動力。對此，應梳理出關鍵技術，組織研制隊伍，定出計劃，協力攻關。

同時，也要大力鼓勵自主創新發展，支持一批新概念、新動力、新技術的研發與儲備。以此不僅為新一代動力發展提供基礎，也可促進新一代武器裝備和航天運載的創新發展。

(7)處理好分工、協作與競爭關系

我國經過幾十年的自力更生和艱苦奮斗，已研制出滿足以往各種需求的固體發動機技術及相關產品，積累了豐富的經驗，形成了一定的研制基礎。面對未來發展需求，并在我國社會主義市場經濟條件下，如何處理好行業內分工、協作與競爭的關系，走出一條符合我國國情的、有序的、快速高效的中國特色固體火箭推進技術發展道路，是一個值得我們深入思考和全行業長期關注的關鍵問題。

2 結束語

本文提出了固體火箭推進技術發展中的七個主要問題，以引起大家的思考，相信通過這種思考，有益于共同努力推動我國固體火箭推進技術的快速、有序、持續發展。