2021年度固體火箭技術進展

《固體火箭技術》編輯部

2021年，我國自主研制的直徑最大、裝藥量最大的3.2 m分段式固體火箭發動機與世界上推力最大、沖質比最高的3.5 m整體式復合材料纏繞殼體固體火箭發動機相繼試車成功，表明大型分段燃燒室的連接密封、多分段發動機點火-流動匹配性、大型噴管長時間工作熱防護、大型高性能纖維復合材料殼體等關鍵技術取得重大工程突破。目前，我國在3 m以上大型固體火箭發動機設計技術、推進劑、材料與先進精細化制造工藝，以及試驗測試技術等方面取得了里程碑式進展，打通了我國千噸級推力固體發動機發展的關鍵技術鏈路(2021,44(1):1-3)。專家指出，為提升我國未來大型、重型運載固體火箭發動機技術水平，需繼續錨定“分段式”和“整體式”兩條技術路徑，“整體打基礎、分段再提升”，以此滿足我國空間裝備、載人登月、深空探索等的應用需求。

目前，固體火箭發動機技術總體上比較成熟，有些固體火箭發動機已達到相當高的技術水平，進入了批量化生產和系列化發展階段，基本可以滿足需求，但與世界先進水平仍存在差距。航天科技四院葉定友研究員在《固體火箭推進技術發展的幾點思考》(2021,44(4):427-430)中，提出了固體火箭推進技術未來發展需關注的重點方向，如優化設計目標追求總體性能最優，提高發動機精細化設計水平、發展智能化固體動力、關注固體發動機使用性能研究等。

航天科技四院田維平研究員在《固體火箭發動機技術發展和面臨的關鍵技術問題》(2021,44(1):4-8)中對于未來固體發動機關鍵技術進行了梳理，指明了戰略導彈、戰術導彈、航天運載、固體組合動力等面臨的關鍵技術問題及相應的主要解決途徑；同時，在《固體動力智能化發展技術展望》(2021,44(2):146-150)中，明確了固體動力推力調控、跨介質工作、工作過程主動控制等未來重點技術發展方向，并提出了對其未來發展趨勢和應用方向的建議。

大尺寸延伸噴管技術是實現固體發動機大型化的重要支撐技術之一，其展開過程與導彈的級間熱分離過程存在一定程度的重合，并受到級間瞬態流場、展開動力學、展開能源系統和級間相對運動等多個物理過程的耦合影響，工況條件十分復雜。航天科技四院41所的任萍等(2021,44(2):275-284)對固體發動機雙級延伸噴管級間熱分離展開過程進行了動力學耦合仿真，獲得了級間流場演化情況和延伸錐的展開特性，發現了提高展開與對接過程結構安全性的有效方法。

值得關注的是，面向臨近空間高速寬空域飛行的組合動力、面向深空探測的新型電推進、發動機智能設計等新型特種固體發動機技術日益受到國內外的高度關注。航天科技四院董新剛團隊(2021,44(2):166-178)回顧了多種在研粉末發動機的發展歷程，指出粉末燃料輸送及流量調節技術是限制其發展的技術瓶頸。中國科學院工程熱物理研究所的趙巍等(2021,44(2):179-187)采用容積法建立了考慮工質變比熱即化學平衡的發動機動態模型，通過調節推進劑供應和尾噴管面積相結合的方法，實現了發動機的快速安全啟動。2020年固體推進動力領域發展綜述(2021,44(2)：135-142)中提到，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室已經研發出了可重復啟動固體火箭發動機，并完成了單級固體火箭發動機的多次點火啟停試驗，下一步將進行發動機在軌驗證。專家指出，我國也有必要加快推進超燃、推力可調可控、跨介質組合動力、跨域長時間工作、電推進、離子推進、粉末發動機等特種發動機領域方面的研究。

固體火箭發動機性能預示精度對開展固體導彈或運載火箭總體方案設計、飛行彈道及安全控制區精準預示、設計方案魯棒性評估等具有至關重要的作用，目前還有進一步提高的空間，如推力-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。傳統方法可較為準確地預示一型發動機的內彈道包絡，但無法普適性地針對復雜環境剖面下的單臺發動機進行精準預示。中國運載火箭技術研究院的蒲曉航等(2021,44(6):767-772)提出了基于遺傳算法的固體發動機內彈道精準預示自修正方法，大幅提高了主動段飛行彈道的控制精度，有效彌補了主動飛行段跟蹤固定程序角制導模式中飛行彈道受固體發動機內彈道預示精度影響較大的不足。推進劑/襯層/絕熱層粘接界面失效問題是誘發固體發動機故障的重要原因，對于粘接界面損傷過程及其機理的研究一直是人們關注的重點。海軍航空大學的伍鵬等(2021,44(3):343-349)基于界面細觀代表性體積單元，采用粘性接觸算法(RVE)和最大主應力準則對界面損傷與失效過程進行了數值模擬研究，這為有效評估固體火箭發動機粘接界面的力學性能提供了參考。

以上無論是級間熱分離條件下延伸噴管工作環境及使用載荷的探索，還是固體發動機內彈道精確預估及自我修正方法、固體發動機推進劑/襯層/絕熱層粘接界面的模擬等的研究工作，主要目的都是為實現固體發動機的高質量、高可靠的總體目標。

為進一步拓寬固體發動機的應用范圍，在傳統設計方案的基礎上，通過在燃燒室內設置脈沖隔離裝置，使其具備多次啟停功能，合理分配推力及各脈沖工作時間的能力，這將極大地提高武器系統的作戰機動性能。國內相關研究開展較晚，僅對雙脈沖發動機內流場流動規律、絕熱層燒蝕研究及隔離裝置設計等方面進行了研究，對第二脈沖點火瞬態特性研究較少。西安現代控制技術研究所的朱亮等(2021,44(6):773-782)采用有限體積法求解雷諾時均Navier-Stokes方程組，基于高精度AUSMPW+迎風格式、3階MUSCL重構方法和-SST湍流模型，實現了對第二脈沖點火瞬態過程的數值模擬，并研究了點火藥量、推進劑燃速及隔離裝置強度對點火延遲特性的影響，這對提高雙脈沖發動機點火可靠性具有重要參考意義。

先進材料技術始終引領、支撐著固體火箭發動機技術的發展，是實現從設計圖紙到工程化型號產品轉化的重要基礎，也是固體發動機性能提升的核心途徑之一，即一代新材料，一代新型發動機。張光喜、薛朋飛、崔紅研究團隊(2021,44(1):96-105)提出了一種抗燒蝕型C/C材料的研制新思路，并研究了C/C-ZrC-Cu復合材料的微觀結構與抗燒蝕性能。與傳統C/C材料相比，該型材料的快速低成本優勢顯著，制備周期縮短75%以上，高溫耐燒蝕性能有效改善，燒蝕率降低約9倍。同時，也為如何提高C/C材料的塑性和加工性提供了新思考。

作為一種國家戰略性新興材料，碳納米(石墨烯)材料因其比表面積大、強度高、導電導熱性優異及透光性高等優勢，在輕量化材料、動力電池、電磁屏蔽材料、散熱材料等領域得到廣泛應用，也是宇航推進領域技術應用所關注的熱點。目前，碳納米(石墨烯)材料在固體推進劑性能提升與降感、超高溫絕熱阻燃材料改進、內外防熱涂層性能提升、特種環境下復合材料性能提升等方面初露鋒芒。沈陽航空航天大學的任榮等(2021,44(6):718-725)從石墨烯功能化改性、石墨烯對含能材料的催化劑、含能組分、氧化劑等性能的影響進行研究，發現石墨烯可以促進含能材料中AP等氧化劑的燃燒，產生更多熱量且無多余燃燒產物。中科院金屬所的王涵、曾尤團隊(2021,44(6):737-746)綜述了石墨烯在碳纖維增強樹脂基復合材料結構功能一體化方面的研究進展，重點評述了石墨烯/碳纖維混雜復合材料在導熱、電磁屏蔽以及雷電防護等方面的研究成果，并展望了該領域的關鍵問題以及未來發展趨勢。阮英波、張承雙研究團隊(2021,44(5):678-686)設計了基于Diels-Alder反應的石墨烯基自修復材料，通過在聚合物中引入極少量的功能化石墨烯，實現了石墨烯增強的聚合物自修復作用和Diels-Alder反應的高溫修復作用的有機結合，這對發動機殼體外表面快速修復應用有重要價值。專家指出，如何在工程化應用過程中控制石墨烯與負載納米粒子的復合比例以獲得最優的性能，如何實現高質量、大規模、低成本和綠色生產，如何將石墨烯的優異特性用于固體火箭發動機的推進劑改性、防熱、隔熱、耐燒蝕結構以及高性能的承力結構，是我們將來需重點關注的領域熱點。

最后，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，如何對使用性能和安全性能進行精準可靠的評估，如何得出滿意的可用性結論，這仍然是固體火箭發動機技術領域面臨的重大課題。為此，2021年本刊還刊登了有關測試、試驗與安全性方面的文章。例如，航天化學動力技術重點實驗室的孫百政等(2021,44(3):399-408)以NEPE推進劑試驗件為研究對象，建立了“殼體+絕熱層+推進劑”的三層圓筒結構模型，利用有限元動力學軟件對其受破片沖擊的動力過程進行了數值模擬，研究了不同規格破片沖擊NEPE推進劑的影響規律，為NEPE推進劑破片沖擊特性研究提供理論參考。航天動力測控技術研究所的劉拓、蘭寶剛等(2021,44(3):409-413)采用二維軸對稱雷諾平均方程和-湍流模型，對某大型主動引射高空模試驗系統在不同流量固體火箭發動機穩定運行過程中的流場結構進行了數值模擬研究。這是國內首次較系統地獲得了試驗艙艙壓隨發動機流量的變化規律，為預估某主動引射高模臺試驗狀態提供了有力技術支撐。另外，本刊還刊登了運載火箭與導彈技術、特種發動機技術等方面的文章，以適應航天固體動力領域的拓展，這里不一一列舉。

2021年悄然離去，2022年如期而至。

未來的樣子，都藏在我們的努力里。2022年，希望我們所有航天領域的固體火箭技術專家學者們，不負努力，勇敢探索，在自己的領域里開疆拓土，實現高品質的價值創造。