固體火箭推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的幾點思考

葉定友，薛朋飛，閆大慶

(1.中國航天科技集團(tuán)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(fā)動機(jī)憑借其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、便于機(jī)動部署、快速響應(yīng)、維護(hù)使用方便等諸多優(yōu)點，現(xiàn)已成為戰(zhàn)略/戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器的主要動力裝置，其性能高低決定了導(dǎo)彈武器的精確打擊和生存突防能力，是直接關(guān)系到武器裝備作戰(zhàn)效能和威懾力實現(xiàn)的重要基礎(chǔ)和前提。同時，固體火箭發(fā)動機(jī)在航天領(lǐng)域也具有獨特的優(yōu)勢，是航天運載火箭系統(tǒng)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(dāng)前運載火箭動力發(fā)展中占有舉足輕重的地位[1]。

21世紀(jì)以來，世界各國繼承或研發(fā)了眾多在役典型固體火箭發(fā)動機(jī)[2-5]，其應(yīng)用包括美國陸基戰(zhàn)略導(dǎo)彈民兵Ⅲ，潛地戰(zhàn)略導(dǎo)彈三叉戟ⅡD5，地空反導(dǎo)導(dǎo)彈泰德、“標(biāo)準(zhǔn)-3”、“愛國者PAC-3”[2-3]；俄羅斯的陸基戰(zhàn)略導(dǎo)彈導(dǎo)彈白楊M、“先鋒”高超聲速洲際戰(zhàn)略導(dǎo)彈，潛地戰(zhàn)略導(dǎo)彈布拉瓦，地空反導(dǎo)導(dǎo)彈S-300、S-400、S-500[2]；法國潛地戰(zhàn)略導(dǎo)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(fā)展快速進(jìn)入空間的中小型運載火箭，大部分也都使用了先進(jìn)的固體火箭推進(jìn)技術(shù)，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(jìn)技術(shù)方面也取得了較大進(jìn)步，研發(fā)了各種射程的地地、潛地導(dǎo)彈和大型固體火箭助推器[2]。我國也發(fā)展了以固體火箭發(fā)動機(jī)為動力的各種導(dǎo)彈和運載火箭，如東風(fēng)系列固體地地導(dǎo)彈、巨浪系列固體潛地導(dǎo)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(wèi)星變軌發(fā)動機(jī)也采用固體火箭發(fā)動機(jī)。綜上可見，固體火箭推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。

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

總體而言，當(dāng)前固體火箭發(fā)動機(jī)的一般技術(shù)比較成熟，有些發(fā)動機(jī)已達(dá)到相當(dāng)高的技術(shù)水平，進(jìn)入了批量生產(chǎn)裝備和系列化發(fā)展階段，基本可以滿足需求。

為推動固體火箭推進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及為新一代武器裝備和航天運載提供先進(jìn)的固體動力，近年來，美國、歐洲等航天強(qiáng)國實施了一系列研究發(fā)展基礎(chǔ)計劃[8-9]，如美國的戰(zhàn)略系統(tǒng)維持計劃(TSSS)、綜合高性能火箭推進(jìn)演示計劃(IHPRPT)及其后續(xù)“用于21世紀(jì)的火箭推進(jìn)”(RP21)計劃、工業(yè)基礎(chǔ)分析與維持計劃(IBAS)、NASA《2015技術(shù)路線圖草案》；歐洲的“地平線2020”(Horizon 2020)規(guī)劃、未來運載器準(zhǔn)備計劃(FLPP)、空間推進(jìn)用高性能固體推進(jìn)劑(HISP)計劃及其后續(xù)、運載器用綠色先進(jìn)高能推進(jìn)劑(GRAIL)計劃等。通過這些計劃，逐步建立了未來先進(jìn)固體火箭推進(jìn)技術(shù)發(fā)展路線圖，繼續(xù)牽引和促進(jìn)固體火箭推進(jìn)技術(shù)發(fā)展與相關(guān)工業(yè)基礎(chǔ)能力建設(shè)。

我國固體火箭推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展途徑雖然與西方國家大致相同，但起步較晚，又受到西發(fā)達(dá)國家的嚴(yán)密技術(shù)封鎖，可參考技術(shù)資料或文獻(xiàn)相對較少。經(jīng)過60多年堅持不懈的自力更生、艱苦奮斗和全國大力協(xié)同，走出了從無到有、從小到大、從弱到強(qiáng)的獨立自主創(chuàng)新發(fā)展之路，發(fā)動機(jī)設(shè)計與研究、推進(jìn)劑及裝藥工藝技術(shù)、發(fā)動機(jī)材料和工藝、發(fā)動機(jī)質(zhì)量控制、性能測試和試驗技術(shù)等均已基本掌握，并建設(shè)了比較配套的研發(fā)和生產(chǎn)設(shè)施。但與國外先進(jìn)技術(shù)相比，尤其是直徑3 m以上大型固體火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)，在發(fā)動機(jī)、推進(jìn)劑、材料的先進(jìn)設(shè)計方法與先進(jìn)精細(xì)化制造工藝，以及試驗測試技術(shù)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(shè)現(xiàn)代化強(qiáng)國的新征程中，現(xiàn)就固體火箭推進(jìn)技術(shù)如何發(fā)展、研發(fā)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(jìn)技術(shù)發(fā)展問題的幾點思考

(1) 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)，力求總體性能最優(yōu)，而非個別指標(biāo)最高

高比沖、高質(zhì)量比是固體發(fā)動機(jī)性能追求的重要指標(biāo)。當(dāng)前一些先進(jìn)發(fā)動機(jī)地面比沖已達(dá)260～265 s，高空比沖已達(dá)296～300 s，質(zhì)量比已達(dá)0.91～0.94[5-6]?，F(xiàn)階段，在顛覆性新技術(shù)、新材料、新工藝沒有出現(xiàn)的條件下，固體火箭發(fā)動機(jī)性能進(jìn)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(jìn)劑而言，要進(jìn)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(guān)，有些還制出初步樣品和試制產(chǎn)品，但使用過程中表現(xiàn)出的穩(wěn)定性、相容性、安全性和成效性卻往往制約了其快速應(yīng)用。因此，有必要打破現(xiàn)有傳統(tǒng)思維。例如，可在保持現(xiàn)有推進(jìn)劑能量性能和力學(xué)性質(zhì)的同時，探索大力提高推進(jìn)劑的伸長率與密度、降低壓強(qiáng)指數(shù)與溫度敏感系數(shù)、開發(fā)含能的燃速調(diào)節(jié)劑等技術(shù)途徑，這可能同樣有利于促進(jìn)固體火箭發(fā)動機(jī)綜合性能的提高,有利于進(jìn)一步提高燃燒效率和噴管轉(zhuǎn)化效率。

(2) 著重提高固體發(fā)動機(jī)研制的精細(xì)化水平，實現(xiàn)高質(zhì)量、高可靠的總體研制目標(biāo)

目前來看，固體發(fā)動機(jī)性能預(yù)示精度還有進(jìn)一步提高的空間，如果推力-時間曲線的預(yù)示精度達(dá)到3%～4%、比沖預(yù)示精度達(dá)±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(yù)示精度的某些辦法，那么這些性能參數(shù)精度的提高，也將促進(jìn)導(dǎo)彈或火箭總體性能的提升[6,11]。

事實上，隨著化學(xué)、燃燒學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料及計算科學(xué)、制造測試技術(shù)和智能信息技術(shù)的發(fā)展，固體發(fā)動機(jī)設(shè)計已從經(jīng)驗型向大數(shù)據(jù)支持的智能優(yōu)化設(shè)計模式轉(zhuǎn)變，涉及材料基因組構(gòu)建與應(yīng)用、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)化/變量化建模計算與仿真、推進(jìn)劑分子設(shè)計與模擬等；在實現(xiàn)固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計的制造過程中，也大量采用數(shù)控/遠(yuǎn)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(fù)合材料先進(jìn)制造技術(shù)、固體推進(jìn)劑增材制造技術(shù)、復(fù)合材料光固化原位快速成型技術(shù)、自動化裝配與檢測技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。一方面，減少或消除面對面和手工操作引起的質(zhì)量安全不穩(wěn)定因素；另一方面，進(jìn)一步提高固體發(fā)動機(jī)的精細(xì)化研制水平。

(3) 認(rèn)清推力可調(diào)可控與能量管理技術(shù)的固體發(fā)動機(jī)重要發(fā)展方向

傳統(tǒng)的固體火箭發(fā)動機(jī)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(xiàn)能量最優(yōu)化配置。一直以來，導(dǎo)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(fā)動機(jī)推力大小與方向?qū)崟r可調(diào)可控，可實現(xiàn)多次重復(fù)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(fā)動機(jī)、單室多推力固體發(fā)動機(jī)、可變推力固體發(fā)動機(jī)、高性能姿軌控固體發(fā)動機(jī)、固體發(fā)動機(jī)新推力矢量控制技術(shù)等的發(fā)展方興未艾[6,8,10]。同時，這些動向也促進(jìn)了特種推進(jìn)劑、燃?xì)獍l(fā)生劑、特種材料和制造新技術(shù)的發(fā)展。為此，推力控制與能量管理技術(shù)已成為國內(nèi)外固體火箭發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的研究熱點之一，西方某些國家也開始將其用于導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)[3]。

(4)智能化發(fā)展迅速，需要加快謀劃行業(yè)布局

人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、5G網(wǎng)絡(luò)、區(qū)塊鏈等先進(jìn)信息技術(shù)發(fā)展迅速，我國也已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用[8-10]。有鑒于此，我們應(yīng)提前謀劃，及早布局，組織隊伍在固體火箭發(fā)動機(jī)智能化設(shè)計與制造、智能化控制與能量自管理、狀態(tài)自感知、智能化檢測與試驗、產(chǎn)品智能化等方面開展集智攻關(guān)和深入研究，使固體推進(jìn)行業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品融合利用好這一波信息技術(shù)的創(chuàng)新成果。

(5)繼續(xù)開展固體發(fā)動機(jī)使用性能研究

固體火箭發(fā)動機(jī)使用性能對保證武器裝備的安全可靠性、戰(zhàn)場生存能力和減少人員設(shè)備的損失具有十分重要的意義。針對當(dāng)前及未來越來越復(fù)雜的使用環(huán)境，如何有效滿足各種使用環(huán)境，如何進(jìn)行使用壽命和安全性精準(zhǔn)可靠的評估，如何得出滿意的可用性結(jié)論，這仍然是固體火箭發(fā)動機(jī)研制中面臨的重大課題。

(6)處理好需求牽引與主動創(chuàng)新相結(jié)合的關(guān)系

航天發(fā)展和國防現(xiàn)代化對固體火箭推進(jìn)技術(shù)的需求是本專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的主要推動力。對此，應(yīng)梳理出關(guān)鍵技術(shù)，組織研制隊伍，定出計劃，協(xié)力攻關(guān)。

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

(7)處理好分工、協(xié)作與競爭關(guān)系

我國經(jīng)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(fā)動機(jī)技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品，積累了豐富的經(jīng)驗，形成了一定的研制基礎(chǔ)。面對未來發(fā)展需求，并在我國社會主義市場經(jīng)濟(jì)條件下，如何處理好行業(yè)內(nèi)分工、協(xié)作與競爭的關(guān)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(jìn)技術(shù)發(fā)展道路，是一個值得我們深入思考和全行業(yè)長期關(guān)注的關(guān)鍵問題。

2 結(jié)束語

本文提出了固體火箭推進(jìn)技術(shù)發(fā)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(jìn)技術(shù)的快速、有序、持續(xù)發(fā)展。