下半年,中国的大固体火箭将轮番登场!

远洋航空

世界最大固体火箭织女星-C首飞成功，下半年，中国的大固体火箭将轮番登场！

文 | 张雪松



7月13日21时13分，欧洲空间局最新研制的织女星-C（Vega-C）固体运载火箭，从位于库鲁的圭亚那航天中心（CSG）首飞发射成功，成为目前世界上已成功发射的最大固体运载火箭。虽然首飞载荷质量只有约474千克，但它可将最大2.3吨的载荷送入700千米高度的极地轨道，运力远远超过印度固液混合的PSLV火箭。



织女星-C火箭可以满足大多数近地轨道和极地轨道发射任务，它的首飞成功为欧空局提供了一种廉价和高效的运载工具，作为运力过大的阿里安5和阿里安6火箭的补充，也部分摆脱了对俄罗斯联盟号火箭的依赖，显示了固体运载火箭的优势。

蓬勃发展的固体火箭


以太空探索技术公司（SpaceX）和火箭实验室公司（Rocket Lab）为代表的商业新兴航天公司的出现和发展，让液体运载火箭吸引了全球范围的关注。与此同时固体运载火箭也在蓬勃发展，产生了一批新型固体运载火箭，在中小运力范围内和液体运载火箭展开了激烈的竞争，织女星-C火箭就是其中杰出的代表。

美国固体运载火箭的竞争力不错，即使SpaceX公司也放弃了同一运力区间的猎鹰一号火箭。美国诺斯洛普·格鲁曼公司收购轨道科学公司后，继承了飞马座（Pegasus）、金牛座（Taurus）和米诺陶（Minotaur）组成的固体运载火箭家族，现在米诺陶I和米诺陶IV、V等大型固体火箭仍在使用中，米诺陶VI正在研制。米诺陶I火箭源自民兵洲际导弹的发动机技术，其他的米诺陶火箭都使用2.34米直径的和平卫士导弹发动机，米诺陶IV火箭的近地轨道运力达到了1591千克，700千米高度的极地轨道运力近1吨，米诺陶V火箭发射过383千克重的LADEE月球探测器。最新研制的米诺陶VI火箭前两级使用两台SR-118火箭发动机串联，700千米高度的极地轨道运力超过1.8吨，在固体运载火箭中运力仅次于织女星-C火箭。



用于发射LADEE月球探测器的米诺陶V火箭

日本和印度也在积极研制固体运载火箭。日本固体运载火箭最新的代表作是艾普斯龙（Epsilon）火箭，它第一级使用了来自H-IIA火箭2.5米直径的SRB-A3固体助推器，加上原有M-V火箭的二、三级组成而成，它的亮点是廉价和自动化，还具备将700千克载荷送入500千米高度极地轨道的能力。印度最新研制的SSLV固体火箭使用了烈火3导弹的2米直径固体发动机技术，是一种极地轨道运力300千克的廉价固体运载火箭，在商业发射市场上具备一定的竞争力。

欧空局着重研制大型固体运载火箭，织女星火箭是欧空局固体火箭发展的代表作。织女星火箭最初设计目标是研制一种700公里极地轨道运力1吨的大型固体火箭，它的第一级P80发动机由阿里安5火箭助推器衍生而来，是3米直径的大型固体发动机，二三级使用新研制的Zefiro固体火箭发动机，火箭整体运载能力达到了约1.4吨。刚刚成功首飞的织女星-C火箭使用了更大的P120发动机，P120直径达3.4米，推力超过470吨，在全球整体式碳纤维复合材料固体火箭发动机推力榜上名列前茅（目前排名第一的应该是我国航天科技集团四院自行研制的500吨级整体式固体燃料火箭发动机，于2021年试车成功），为织女星-C火箭运力提高到2.3吨奠定了基础。



2021年10月19日，我国500吨推力整体式固体火箭发动机地面热试车圆满成功，综合性能达到世界领先水平。

大型固体火箭的优势和趋势


随着小卫星市场的蓬勃发展，以及军事航天对快速响应的需求，各航天国家在发展液体重型运载火箭之外，也将固体运载火箭做为发展的重点。

固体运载火箭具备成本低、结构简单、维护操作方便和发射准备时间短等特点，可满足快速响应发射以及低成本发射的需求。然而，美国固体运载火箭从固体洲际导弹衍生而来，而日本的固体火箭更是从铅笔火箭起步，因此在发展的早期，固体火箭的运载能力并不大，在大中型载荷的发射上无法和液体运载火箭媲美。

随着固体火箭动力等技术的进步，固体运载火箭不仅快速响应发射能力更强，在保持低成本高可靠性等优点的同时，运载能力也逐步增大，让固体火箭具备了更大的优势，开始蚕食中等卫星载荷的发射市场。

米诺陶VI火箭的极地轨道运载能力超过1.8吨，织女星-C固体火箭的运力更是高达2.3吨；而商业发射市场上备受青睐的印度PSLV液体火箭，即使是加长型PSLV-XL火箭同等轨道的运力也只有1.75吨。也就是说，米诺陶VI和织女星-C大型固体火箭的运载能力，已经超过了印度PSLV以及中国长征二号丁火箭（700千米太阳同步圆轨道的运力为1.2吨），尤其是织女星-C火箭的运力甚至和长征四号乙火箭相当（运力太阳同步圆轨道2.5吨）。随着卫星技术的全面进步，低轨道上小卫星的性能已经相当强大，例如法国遥感星座昴星团(Pleiades)的NEO卫星装有1.3米口径的相机，分辨率提高到0.3米，但它们的发射质量只不到1吨，最终选择用织女星火箭来发射。



织女星火箭整流罩中的昴星团NEO卫星

总而言之，新一代大型固体运载火箭的运力足以满足绝大部分极地轨道发射需求，结合织女星固体火箭2200~2500万欧元的发射价格，大型固体火箭在商业市场上具备了不错的竞争力。

固体运载火箭和固体弹道导弹一脉相承，但现代固体火箭的廉价发射成本，并非简单的固体导弹再利用，更是从设计到制造不断进步的结果。日本Epsilon火箭大量使用自动检测技术，自动化水平的提高缩短了发射准备时间，减少了工作人员数量。现代固体运载火箭还和大型固体助推器共同发展，日本Epsion火箭和欧洲织女星火箭第一级发动机技术都源自捆绑式火箭的大型固体助推器，印度SSLV火箭运力不大但和大型固体导弹共用第一级固体发动机，通过共享技术和生产线摊薄成本，显著降低固体火箭的综合成本。

发展大固体火箭，难点在哪里？


欧空局的织女星系列火箭代表了大型固体火箭发展的方向，但物美价廉的大型固体火箭研制并不简单，最重要的拦路虎就是大型固体火箭发动机的研制了。俗话说的好：航天要发展，动力要先行。不论是液体还是固体火箭，发动机的研制都是火箭研制最重要的核心要素。

固体火箭发动机虽然看起来简单，但高性能的固体发动机研制难度很高。固体火箭发动机主要涉及高能/高比冲推进剂，高性能壳体，低密度喷管扩张段等多项技术，对于固体运载火箭来说，虽然对推进剂比冲，壳体和喷管的减重指标要求较低，但对发动机推力提出了更高的要求。即使是捆绑式的固体火箭助推器，推力也普遍达到了百吨级，而作为固体运载火箭的起飞级动力，更是要求数百吨甚至更大推力的固体发动机。为了满足固体发动机大推力的研制要求，工程师们主要采用两种方法增大推力，其一是加粗发动机直径，大直径的固体火箭发动机推力更大；其二是研制分段式发动机，多段串联加长成倍提高推力。



用于阿里安-6和织女星-C火箭的P120大型固体发动机

然而无论是加粗还是加长，都不是轻而易举的事情。固体火箭发动机深受燃烧不稳定的困扰，固体推进剂成分多、反应复杂，难于实验模拟，对燃烧不稳定的产生也没有准确的预测方法。而直径越大、长度越长的固体发动机，其燃烧不稳定问题就越棘手，需要付出很大的努力积极克服。另外，大直径固体发动机的药柱浇筑问题相当棘手，对于分段式发动机来说，分段对接技术和点火技术也是需要攻克的难题。

此外，虽然大推力固体火箭发动机对壳体等结构重量不甚敏感，但随着航天发射对成本和性能的追求，传统较为笨重的钢壳体成为昨日黄花，高强度轻质量的碳纤维复合材料壳体，以及同样从导弹领域发展出来的低密度复合材料喷管，都在大型固体火箭发动机上得到了应用。例如织女星-C火箭第一级使用的P120发动机，不但推力大，而且使用了碳纤维复合材料壳体，为火箭的高性能打下了坚实的基础，使这种起飞质量达210吨的固体火箭，运载能力和运载系数甚至超越了部分液体火箭。我国航天科技四院自主研制的目前世界上推力最大、可工程化应用的整体式固体火箭发动机，推力达500吨，也采用了高性能纤维复合材料壳体、高装填整体浇注成型燃烧室、超大尺寸喷管等多项先进技术，打通了我国千吨级推力固体发动机发展的关键链路，将为未来大型、重型运载火箭技术快速发展提供了重要支撑。



2019年1月28日，P120固体燃料发动机试车成功

简单地说，大推力的指标解决了大型固体火箭“有没有”的问题，而高性能壳体和喷管等先进技术，决定了大型固体火箭“好不好”，能不能在激烈的市场竞争中拥有一席之地。

进击的中国大固体火箭，2022年令人期待！


美欧日等国都在积极发展大型固体运载火箭，我国在突破了大型固体火箭发动机技术后，也开始研制固体运载火箭。2009年，我国成功研制了直径2米、推力120吨、当时国内最大的整体式固体火箭发动机，直接推动了我国长征系列运载火箭中第一型全固体运载火箭——长征十一号的立项研制。2015年9月25日，长征十一号火箭首飞成功，成为我国固体动力迈向宇航运载领域的重要里程碑。同一时期，中国航天科工集团研制的快舟一号甲固体运载火箭也取得了突破，于2017年1月9日首飞成功。长征十一号和快舟一号甲等火箭标志着我国固体火箭从无到有，但它们的运力仍停留在百公斤级，随着我国固体火箭发动机技术的快速进步，更大直径、更大推力和更先进的固体火箭发动机不断出现，为研制吨级运力以上的大型固体火箭做好了准备。



2020年9月15日，长征十一号固体运载火箭第二次实施海上发射取得成功

2019年，我国自主研制成功了直径2.6米、推力200吨的整体式固体发动机，推动了捷龙三号固体运载火箭的立项研制。捷龙三号由中国长征火箭有限公司面向商业航天发射市场推出，箭体最大直径2.64米，起飞质量140吨，500千米太阳同步轨道运载能力1.5吨，计划2022年内实施包括首飞在内的三次发射。



捷龙三号固体运载火箭

航天科工集团研制的快舟十一号火箭，是2.2米直径的复合材料壳体固体火箭，起飞质量78吨，700千米高度太阳同步轨道的运载能力为1吨。2020年7月10日，快舟十一号首次执行飞行任务，火箭飞行出现异常，发射任务失利。据悉，快舟十一号有望在2022年下半年实施复飞。



快舟一号甲运载火箭

国内首家混合所有制商业航天企业中科宇航公司研制的力箭一号火箭，也即将冲击国内吨级大固体火箭成功首飞的纪录。力箭一号使用2.65米直径的大推力固体火箭发动机，500千米太阳同步轨道运载能力达1.5吨。据悉，力箭一号已经完成研制，并和地面发射支持系统进行了合练试验，为发射做好了一切准备，即将在近期实施首飞。未来，中科宇航公司还准备研制起飞质量和运载能力更大的大型固体运载火箭，研制中的中科二号运载火箭是基于固体通用芯级（CBC）的运载火箭，起飞推力800吨，500千米太阳同步轨道运载能力达5.6吨，将冲击世界最大固体运载火箭的桂冠。

video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_2096074575745695744
力箭一号运载火箭满载起竖试验视频

这么看来，2022年下半年的固体火箭发射领域，可谓亮点不断，精彩纷呈！预祝这些型号都能取得圆满成功！届时，我国在大型固体运载火箭领域将比肩美欧等航天强国，并将从并跑，向领跑跃进。
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