固體火箭：優勢鮮明 前景廣闊

文/李爍

2022年底，我國快舟十一號固體火箭、捷龍三號固體火箭先后將載荷衛星成功送入預定軌道。隨著航天技術蓬勃發展，固體火箭已成為航天運輸系統的重要組成部分。相比更常見的液體火箭，固體火箭需要克服哪些技術挑戰？又具備哪些鮮明的優勢？未來，固體火箭面臨著怎樣的發展前景呢？

▲ 捷龍三號火箭

▲ 美國米諾陶固體火箭發射瞬間，請注意左側的“飛天青蛙”

▲ 織女星-C火箭最近遭遇首次商業發射失敗

▲ 快舟十一號火箭進行發射前準備

群雄競技蓬勃發展

固體火箭在運載火箭家族中屬于“少數派”，卻從未被各航天大國忽視。各方積極進取，發展出一系列很有特色的型號。

美國固體火箭早期基于彈道導彈改進而來，后期結合航天飛機的固體助推器技術，開展了中大型固體火箭方案論證。因此，美國固體火箭往往“別具一格”，包括飛馬座空射火箭和大量使用洲際導彈部件的金牛座火箭，以及留下“飛天青蛙”名場面的米諾陶火箭等。

歐空局積極打造織女星系列固體火箭。其中，織女星火箭第一級發動機由阿里安5火箭助推器衍生而來，實現700千米太陽同步軌道運力1.33噸。今年7月13日成功首飛的織女星-C火箭換用了更大的發動機，太陽同步軌道運力達到2.3噸，暫列同類世界第一。

日本固體火箭的代表是“艾普斯龍”，早期型號具備將480千克載荷送入500千米太陽同步軌道的能力。在更換第二、第三級發動機后，增強型艾普斯龍火箭運力達到590千克。

印度利用烈火3彈道導彈的固體發動機技術，研制出SSLV固體火箭，極地軌道運力達到300千克，可惜2022年8月7日首飛失敗。

據公開資料顯示，我國固體火箭當前處于多單位同步研發的狀態。航天科工集團發揮固體發動機技術優勢，完成了“開拓者一號”與“快舟”系列研制。其中，快舟十一號固體火箭全箭主體結構采用碳纖維復合材料，700千米太陽同步軌道運載能力不小于1噸，總體技術達到國際先進水平。

航天科技集團的長征十一號火箭在2015年完成首飛，700千米太陽同步軌道運載能力達到350千克，又陸續研制成功“捷龍一號”“捷龍三號”等。其中，捷龍三號火箭實現500千米太陽同步軌道運載能力1.5噸，兼顧海上發射和陸地車載發射，任務適用性強，整箭發射服務每千克載荷價格不超過1萬美元，綜合性能達到世界一流水平。

隨著商業航天發展，“雙曲線一號”“谷神星一號”“力箭一號”等固體火箭同樣獲得任務成功。

縱覽各國固體火箭型號特征，由于固體推進劑比沖較低，固體火箭普遍采用多級構型，主要執行近地軌道或太陽同步軌道任務。不過，隨著發動機等技術進步，復合材料、機電伺服、集成電子元器件等逐漸推廣，固體火箭逐漸體格升級，結構減重見效，開始進入中等載荷發射市場。此外，多國將固體火箭動力系統與大型固體助推器統一規劃研發，這樣可以顯著降低研制、生產成本。

▲ 力箭一號火箭發射瞬間

▲ 捷龍三號火箭開展分段組裝

技術挑戰不容忽視

固體火箭之所以在運載火箭家族中未能占據主流地位，重要原因是面臨著多方面的技術難關，包括高性能大直徑固體發動機技術、結構輕量化技術、無依托快速發射技術、敏捷測發及故障檢測技術等。

隨著固體發動機規模尺寸增大，研制難度將呈幾何倍數上升，因此提高質量比、比沖對于提升固體火箭的運載能力尤為關鍵。一般來講，固體發動機會根據火箭彈道特點確定最優工作壓強、噴管喉徑、擴張比等參數，并針對控制需求，開展柔性噴管攻關，基于現有制造水平，考慮各組件設計方案的可實現性。

在箭體結構重量上，火箭歷來是“每克必爭”。最常見的結構輕量化手段主要是采用輕質材料，比如應用碳纖維復合材料發動機殼體，相比使用鋼材，減重可達一半以上。此外，近年來新興的結構拓撲優化設計、3D打印等技術手段也為火箭減重貢獻不小。

固體火箭普遍實施無依托發射，以快速為首要目標，可以擺脫陸上固定發射工位的束縛，兼顧經濟性、靈活性和生存性。為此，科研人員必須突破快速運輸、快速起豎、快速瞄準、快速測發控和安全導流等技術難關，形成快速機動發射能力。

為滿足固體火箭快速發射需求，敏捷測試與發射是非常重要的環節。傳統關鍵流程依賴人員操作輔助和判讀，一旦發生故障，還要耗費大量時間排查問題。為了進一步提升發射效率，有必要不斷優化發射流程，減少測試環節中的人為數據判讀與故障排除，同時增強全箭系統性健康狀態感知能力，對故障進行快速定位、診斷與修復。

▲ 捷龍三號火箭在發射船上進行準備工作

多重優勢面對未來

相比液體火箭，固體火箭具備多重優勢，突出一個“快”字，如果針對某些不足，采取改進、彌補措施，必將擁有更廣闊的應用市場和發展前景。

固體火箭推進劑采用固體藥柱，具有更穩定、儲存更安全的優點，且構型簡單可靠，整體研制和發射周期明顯比液體火箭更短。這也確保了固體火箭發射服務的履約周期更短，可以提升發射服務品質。

固體火箭廣泛應用無依托發射方式，普遍采用三平測發控模式，即水平整體星箭對接、水平整體測試、水平整體運輸起豎發射，因此發射準備流程相對簡單，又無需加注液體推進劑，發射準備時間更短。而且，固體火箭更容易實現小型化，不僅能夠兼顧海陸機動發射，拓展到逐漸興起的空中試驗、發射模式，也具備先天優勢。

相比液體火箭發動機，固體火箭發動機結構更簡單，僅包括殼體、藥柱和噴管等少數部件，加工和材料要求都比較低廉，甚至可以用石墨纖維纏繞制成噴管，利于批量制造，發揮價格優勢。而除固體發動機外，固體火箭僅需要少量結構部段和電氣等系統，全箭成本顯著降低，因此很適合商業航天“入門”。

在姿態控制方面，固體火箭各級一般僅安裝1臺固體發動機，固定噴管的發動機可采用燃氣舵、燃氣二次噴射或柵格舵等進行三通道姿態控制，也可采用主發動機柔性噴管搖擺控制俯仰和偏航通道，滾轉通道利用固體滾控發動機控制，火箭末級一般利用姿控噴管進行三通道姿態控制，伺服系統體積、重量較小，成本較低。

依托這些優勢，固體火箭有望在多方面積極進取，提升能力，降低成本。

固體火箭主要執行近地軌道或太陽同步軌道任務，一方面，市場競爭日益激烈，另一方面，隨著中小型載荷發射需求劇增，存在大量“星等箭”情況，迫切需要提升固體火箭的低成本快速履約能力。因此，有必要進一步加強低成本固體火箭設計、研制工作。為了應對市場上大量發射需求，固體火箭可以開展組批生產和批量化研制，建設新模式批量化生產線等。

隨著高密度發射任務日益增多，對固體火箭的快速測試與發射能力需求更加迫切，有必要采取新手段解決問題。比如，逐步面向運載火箭全周期管理模式，對全箭異常狀況開展實時檢測、預測與定位，快速預判并自動隔離故障隱患，保障系統正常運行。無線測發控方案進一步與公共5G網絡融合，利用通用便攜式計算機的遠程控制技術，推出滿足“一鍵式發射”的“智慧火箭”。測量系統則瞄準集成化、網絡化、無纜化、高速化、智能化的目標，向新一代測量系統發展。

▲ 固體火箭重視提升可靠性，圖為2022年因故障發射失敗的日本增強型艾普斯龍火箭

▲ 捷龍三號火箭轉運中

固體火箭除了追求更大的運載能力，搶占新型載荷市場，還要有效降低單位載荷的發射成本，實現較高的商業價值。對此，國內固體火箭研制單位均已提出了規模更大的火箭方案，以期利用規模效應進一步降低發射成本，提升競爭力。