固液火箭：跨界組合，取長補短

□ 尼摩

3月29日，我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征六號改運載火箭，成功將浦江二號和天鯤二號衛(wèi)星送入預定軌道。此次發(fā)射不僅是長征六號改火箭的首飛，也是我國固液運載火箭的首次發(fā)射。那么，固液運載火箭有什么特點呢？

從世界范圍看，各國研制的運載火箭大部分都采用液體火箭發(fā)動機作為動力系統(tǒng)，但固體火箭發(fā)動機也不罕見，例如中國的“長征十一號”、美國的“金牛座”和“飛馬座”，或是歐洲的“織女星”及俄羅斯的“起飛號”等。目前，很多民營航天企業(yè)研制的航天運載工具更是從固體火箭發(fā)動機起步。

固體火箭和液體火箭各有其不同的特點和優(yōu)勢。固體火箭具備推力大的優(yōu)勢，研制同級大推力火箭發(fā)動機，固體火箭發(fā)動機要比液體火箭發(fā)動機便宜，制造和測試的成本更低。其中，固體助推器結(jié)構(gòu)簡單并容易制造，也更容易靈活搭配出不同推力和不同運力的火箭。

但是，固體火箭發(fā)動機的比沖較低，純粹的固體火箭的運載系數(shù)較低。同時，固體火箭的發(fā)射質(zhì)量過大，通常會出現(xiàn)四級結(jié)構(gòu)甚至五級結(jié)構(gòu)的設計方案。過多的結(jié)構(gòu)級數(shù)設計不僅提高了火箭的復雜度，也降低了火箭的可靠性。同時，固體火箭發(fā)動機燃燒劇烈，無法中止，危險性較大，而液體火箭發(fā)動機則能避免這些問題。

液體火箭發(fā)動機不僅比沖相較固體火箭發(fā)動機更高，而且很多液體火箭發(fā)動機都有節(jié)流和重復啟動功能。因此，鑒于固體火箭發(fā)動機和液體火箭發(fā)動機各有優(yōu)勢，科研人員在航天發(fā)展早期階段就有了讓兩者“跨界合作”、充分發(fā)揮各自優(yōu)勢的思路。

從這個設計思路出發(fā)，液體芯級+固體助推器的運載火箭就誕生了。1968年，美國開始為德爾它運載火箭增加捆綁的固體助推器。1970年1月，首飛的德爾它M6火箭捆綁了6個Castor-2固體助推器。而后繼的德爾它900型火箭可以在通用尾段捆綁3個、4個、6個或9個Castor-2固體助推器，這樣不僅研制進度快捷，還提高了德爾它火箭的運載能力，且能靈活調(diào)整，顯示了固體助推器的優(yōu)勢。

由于固推液體火箭匯集了固體火箭和液體火箭的優(yōu)勢，一出世就受到航天界青睞。1965年首飛的美國大力神-3C火箭是更早出現(xiàn)的固推液體火箭，堪稱“一馬當先”，世界其他航天大國紛紛跟進固推液體火箭的構(gòu)型設計。例如，美國的大力神系列火箭、歐洲的阿里安系列火箭和日本的H系列火箭等都采用了固推液體構(gòu)型設計。

無論是我國的“長征六號改”，還是美國的德爾它900火箭等，固體助推器都展示了巨大的潛力。

更早出現(xiàn)的大力神-3C火箭使用了具備數(shù)百噸推力的分段式固體助推器，將該系列火箭的運載能力提高了一大截，有力支持了美國宇航局大量高軌道航天器發(fā)射任務和深空探測器發(fā)射任務。

應用分段式設計的固體火箭發(fā)動機就像搭積木一樣，能組合出不同推力的發(fā)動機。以美國航天飛機采用的固體助推器為例，它屬于4段式固體火箭發(fā)動機，也就是說，發(fā)動機是4段藥柱串聯(lián)在一起的。

液體火箭芯級可以捆綁不同數(shù)量的固體助推器，再加上分段式固推設計，固推液體火箭起飛推力和運載能力的靈活性要比單純的固體火箭或液體火箭好很多。

總之，固體火箭發(fā)動機和液體火箭發(fā)動機“跨界”聯(lián)合，取長補短，可靈活根據(jù)不同任務快速調(diào)整和選擇火箭構(gòu)型，降低了火箭發(fā)射成本，且性能也比較出色。

毫無疑問，經(jīng)過幾十年的發(fā)展和對比，綜合考慮成本和性能等因素，固推液體火箭是當之無愧的發(fā)展趨勢之一。