固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究進(jìn)展及總體需求分析

佟明羲，劉 偉，寧 雷，劉佳佳，王鵬飛

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

運(yùn)載發(fā)展，總體牽引，動(dòng)力先行。在我國航天裝備幾十年發(fā)展?fàn)恳?，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)技術(shù)方面得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，推動(dòng)了我國航天運(yùn)輸領(lǐng)域的發(fā)展[1-2]，應(yīng)用于運(yùn)載火箭主動(dòng)力、捆綁助推動(dòng)力、上面級(jí)動(dòng)力、逃逸系統(tǒng)動(dòng)力、姿軌控動(dòng)力等方面。尤其作為捆綁助推動(dòng)力，通過固體助推器數(shù)量變化、性能提升以及和與芯級(jí)的各種組合，能夠使同一種火箭系列具有很大范圍、不同梯度的運(yùn)載能力。當(dāng)前固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)在提高性能的同時(shí)，統(tǒng)籌兼顧經(jīng)濟(jì)性與可靠性實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步滿足降低成本、可重復(fù)使用[3-4]等多種需求。本文在系統(tǒng)梳理國外固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和總體需求。

1 國外固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

半個(gè)世紀(jì)以來，“增大推力、提升性能、降低成本、提高可靠性”一直引領(lǐng)著國外運(yùn)載火箭固體動(dòng)力穩(wěn)步發(fā)展[5-6]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅美、歐、日、印等國家和地區(qū)先后在21型捆綁式運(yùn)載火箭上使用了固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)[7-10]。為增大推力，美國發(fā)展了大型分段式發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，固體發(fā)動(dòng)機(jī)推力達(dá)到1 300 t級(jí)，歐洲發(fā)展了推力500 t級(jí)P230發(fā)動(dòng)機(jī)。為提升運(yùn)載系數(shù)，美國、歐空局不斷研發(fā)新技術(shù)，P120C發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量比達(dá)到0.92以上。為降低成本，歐空局將織女星C火箭Ⅰ級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)和阿里安6火箭助推器共用，增大批量。為提高可靠性，美國、歐洲開展了以粒子沉積、流動(dòng)仿真、精細(xì)檢測(cè)、先進(jìn)制造等為代表的大量基礎(chǔ)研究，提高產(chǎn)品可靠性。

1.1 美國

美國一直致力于發(fā)展大型捆綁式運(yùn)載火箭固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，目前已經(jīng)形成了直徑1～3.7 m、裝藥量30～500 t的系列化固體動(dòng)力體系，極大地提升了美國的航天運(yùn)載能力。美國近年來發(fā)展并構(gòu)建了航天發(fā)射系統(tǒng)(Space Launch System，SLS)，其Ⅰ期構(gòu)型的固體助推器RSRMV于2015年3月完成地面試驗(yàn)，并于2022年11月成功首飛。美國在發(fā)展諸如大力神火箭SRMU助推器等大型固體助推器的同時(shí)，也在不斷完善德爾塔、宇宙神等小型固體助推器的性能，構(gòu)建全面的固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)體系。

SRMU固體助推器總長(zhǎng)34 m，直徑3.2 m，裝藥量315.4 t，分3段，真空推力653 t，工作時(shí)間135 s，如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)采用纖維復(fù)合材料殼體，分段之間采用金屬環(huán)進(jìn)行對(duì)接，金屬環(huán)和復(fù)合材料殼體之間采用兩道徑向銷釘連接，在確保可靠性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量比實(shí)現(xiàn)水平。

圖1 SRMU固體助推器Fig.1 SRMU solid rocket booster

RSRMV固體助推器總長(zhǎng)47.36 m，直徑3.71 m，裝藥量647 t，分5段，真空推力1 311 t，工作時(shí)間132 s，如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)采用D6AC高強(qiáng)度鋼殼體，為了減小惰性質(zhì)量并降低成本，還研發(fā)了無石棉絕熱層材料，同時(shí)通過分段技術(shù)應(yīng)用，滿足大推力使用需求。

圖2 RSRMV固體助推器Fig.2 RSRMV solid rocket booster

1.2 歐洲

歐空局的大型捆綁式運(yùn)載火箭有阿里安系列的幾種型號(hào)。其中，阿里安3和阿里安4火箭所用的固體助推器均屬于小型助推器，直徑約1.1 m，真空推力約70 t。阿里安5火箭發(fā)展了直徑3.05 m的大型分段式固體助推器P230，推力達(dá)到500 t級(jí)，通過液體芯級(jí)和固體助推相結(jié)合，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力可達(dá)10 t。新型阿里安6火箭捆綁性能更加先進(jìn)的P120C固體助推器(可捆綁2個(gè)或者4個(gè)，也可作為織女星C火箭一級(jí)動(dòng)力)，其性價(jià)比較阿里安5進(jìn)一步提升[11-14]。

P230固體助推器如圖3所示，直徑3.05 m，總長(zhǎng)31.16 m，裝藥量237 t，分3段，真空推力485.1 t，真空比沖274 s。殼體采用48CD4-10高強(qiáng)度鋼，噴管采用柔性噴管，喉徑達(dá)到900 mm，采用三維編織碳/碳材料。

圖3 P230固體助推器Fig.3 P230 solid rocket booster

P120C固體助推器如圖4所示，直徑為3.4 m，裝藥量141.6 t，峰值推力500 t，工作時(shí)間 135.7 s，采用復(fù)合材料殼體。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)內(nèi)彈道性能開展了基于火箭飛行動(dòng)壓和運(yùn)載能力實(shí)現(xiàn)的聯(lián)合優(yōu)化，提升了火箭綜合性能水平。

圖4 P120C固體助推器Fig.4 P120C solid rocket booster

1.3 日本

日本近年來發(fā)展了1.8 m和2.5 m兩個(gè)直徑系列的大型固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)。其中，用于H-2運(yùn)載火箭的SRB-A固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)直徑1.8 m，裝藥量59 t，分4段。

基于SRB-A發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)和性能提升，日本研制了SRB-3固體發(fā)動(dòng)機(jī)，用于新型H-3運(yùn)載火箭捆綁的固體助推器。發(fā)動(dòng)機(jī)直徑2.5 m，總長(zhǎng)15.1 m，真空推力220 t，如圖5所示。

圖5 日本SRB系列固體助推器Fig.5 SRB series solid rocket booster (Japan)

1.4 印度

印度運(yùn)載火箭近年來技術(shù)發(fā)展迅猛，依靠大型固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其運(yùn)載火箭能力在短期內(nèi)得到快速提升。印度主要發(fā)展的S-200型固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)如圖6所示，直徑3.2 m，長(zhǎng)25 m，裝藥量206.7 t，分3段，平均推力426 t，工作時(shí)間130 s。該型發(fā)動(dòng)機(jī)用于GSLV-MKⅢ運(yùn)載火箭的固體助推器，于2014年成功完成首次飛行。

圖6 印度S-200型固體助推器Fig.6 S-200 solid rocket booster (India)

2 固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

2.1 國外航天固體動(dòng)力指標(biāo)先進(jìn)，可靠性高，持續(xù)向“大推力、高性能、低成本”方向高速發(fā)展

國外運(yùn)載火箭固體動(dòng)力技術(shù)發(fā)展迅速，綜合性能指標(biāo)達(dá)到了很高的水平，重視產(chǎn)品研制和技術(shù)發(fā)展的繼承性，在快速形成運(yùn)載能力的同時(shí)，提高了產(chǎn)品的可靠性。在材料、設(shè)計(jì)、工藝等多領(lǐng)域開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作，新技術(shù)獲得持續(xù)性突破，支撐運(yùn)載火箭固體動(dòng)力持續(xù)發(fā)展。

2.2 大型固體助推器與液體芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行組合，大幅簡(jiǎn)化運(yùn)載火箭構(gòu)型

固體發(fā)動(dòng)機(jī)易實(shí)現(xiàn)大推力，液體發(fā)動(dòng)機(jī)易實(shí)現(xiàn)高比沖和推力可調(diào)，將二者結(jié)合，可充分發(fā)揮組合優(yōu)勢(shì)。如表1所示，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國外運(yùn)載火箭中采用液體芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)與大型固體助推器組合的構(gòu)型較多，約占總數(shù)的81%。

表1 國外助推器

2.3 通過火箭模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)批量生產(chǎn)，基于先進(jìn)智能生產(chǎn)工藝，降低發(fā)動(dòng)機(jī)綜合成本

國外將不同型號(hào)火箭使用的固體發(fā)動(dòng)機(jī)共用，通過批量化、模塊化生產(chǎn)，降低單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)成本。同時(shí)，加速增材制造、數(shù)字孿生/數(shù)字線索、增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)等新興技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智能制造在固體發(fā)動(dòng)機(jī)研制全過程的融合應(yīng)用。

2.4 瞄準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升，前沿技術(shù)攻關(guān)超前布局，不斷推進(jìn)新技術(shù)研發(fā)

基于未來運(yùn)載火箭對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)高性能、低成本、高可靠的技術(shù)需求[15]，國外針對(duì)前沿技術(shù)進(jìn)行布局攻關(guān)，發(fā)展新型固液混合動(dòng)力、寬溫域固體動(dòng)力等關(guān)鍵技術(shù)，積極探索工程應(yīng)用的可行性，滿足未來固體動(dòng)力的發(fā)展需求。

3 固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)總體需求分析

3.1 固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展

“十四五”期間，我國大力推進(jìn)航天強(qiáng)國建設(shè)，“探月工程”“火星探測(cè)”等重大工程及其他民用空間基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)大型助推動(dòng)力提出了“大推力、快響應(yīng)、高可靠、低成本”的發(fā)展方向，將大幅推動(dòng)固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。

3.2 固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展需有利于火箭總體性能提升與工程實(shí)施

在頂層型譜規(guī)劃的范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的研制要以具體任務(wù)為導(dǎo)向，統(tǒng)籌考慮綜合性能、經(jīng)濟(jì)成本、使用流程等方面，聯(lián)合論證發(fā)動(dòng)機(jī)的總體技術(shù)方案，在充分識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，給出技術(shù)攻關(guān)方向。

1)通過開展內(nèi)外彈道聯(lián)合優(yōu)化，如圖7所示，讓發(fā)動(dòng)機(jī)參與總體回路的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，從火箭總體性能最優(yōu)的目標(biāo)出發(fā)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)。已有仿真經(jīng)驗(yàn)表明，通過內(nèi)外彈道聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，可提高火箭約4%的運(yùn)載能力[16]，在提升火箭總體性能水平及設(shè)計(jì)效率的同時(shí)，減小發(fā)動(dòng)機(jī)方案迭代次數(shù)與性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)難度。

圖7 運(yùn)載火箭內(nèi)外彈道聯(lián)合優(yōu)化Fig.7 Joint optimization of rocket and motor

在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)層面，持續(xù)推進(jìn)大型燃燒室整體式裝藥設(shè)計(jì)、大直徑發(fā)動(dòng)機(jī)性能偏差優(yōu)化設(shè)計(jì)、分段式輕質(zhì)化碳纖維殼體設(shè)計(jì)、大型低力矩柔性噴管設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)[17]，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥量、工作推力和質(zhì)量比實(shí)現(xiàn)水平，結(jié)合內(nèi)外彈道聯(lián)合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)固體火箭動(dòng)力系統(tǒng)性能跨越式發(fā)展。

2)大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)模尺寸和噸位顯著提高，需要探索滿足工程實(shí)施的大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)輸、總裝、起吊等新型使用流程。一方面，受運(yùn)輸規(guī)模限制，依托發(fā)射場(chǎng)完成發(fā)動(dòng)機(jī)和主要部段的生產(chǎn)，并在發(fā)射場(chǎng)完成主要的試驗(yàn)工作，需要投入的基礎(chǔ)配套建設(shè)規(guī)模較大；另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥、分段燃燒室在火箭總裝前完成，采用垂直總裝方式，大噸位的模塊化起吊、總裝對(duì)發(fā)射場(chǎng)建設(shè)提出更高要求，增加技術(shù)廠房建設(shè)規(guī)模和工程系統(tǒng)建設(shè)成本。

此外，發(fā)動(dòng)機(jī)作為固體運(yùn)載火箭的動(dòng)力源，同時(shí)也是火箭飛行過程中的振動(dòng)源，需要提前開展大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的起飛噪聲、力學(xué)環(huán)境預(yù)示等研究，建議在大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)開展力、熱、噪聲等實(shí)際環(huán)境測(cè)量與研究工作。

3.3 固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展需著眼于性能水平和經(jīng)濟(jì)性協(xié)同提升

發(fā)動(dòng)機(jī)的研制應(yīng)以聯(lián)合論證的結(jié)果作為輸入，在經(jīng)濟(jì)性和可靠性的雙重約束下，通過設(shè)計(jì)和生產(chǎn)聯(lián)動(dòng)，確定最終的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑。

1)從全箭經(jīng)費(fèi)構(gòu)成上來看，固體動(dòng)力系統(tǒng)占比很大，通過固體發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和工藝措施優(yōu)化，采取面向商業(yè)航天的成本控制，可進(jìn)一步優(yōu)化火箭成本構(gòu)成，提升火箭市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。開展發(fā)動(dòng)機(jī)低成本材料優(yōu)選及適應(yīng)性開發(fā)、綠色低成本推進(jìn)劑技術(shù)、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化與流程優(yōu)化、先進(jìn)仿真模擬技術(shù)等研究，精簡(jiǎn)研制流程，降低研制費(fèi)用，為低成本航天運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)提供支撐。

2)為了提高運(yùn)載火箭在不同任務(wù)載荷下的適應(yīng)性，需要進(jìn)一步拓展固體發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)模尺寸，加大開展分段式復(fù)合材料殼體發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等研究力度，快速形成多種推力梯度的發(fā)動(dòng)機(jī)型譜。通過火箭的模塊化、發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的批量化生產(chǎn)，從而降低成本，提高可靠性。

4 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)高可靠、低成本、高性能、強(qiáng)任務(wù)適應(yīng)性、便捷使用的目標(biāo)，給固體助推發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展研制提出了更高的要求。需要結(jié)合具體需求，全面策劃，統(tǒng)籌發(fā)展，繼續(xù)深入開展大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與成本優(yōu)化控制，助推未來運(yùn)載火箭整體性能穩(wěn)步提升。