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导语：自上世纪60年代末，运载火箭“固体助推器+液体芯”级的跨界组合问世以来，固体助推发动机在全球大型运载火箭中的应用愈发广泛，逐渐成为航天运输系统的重点发展方向之一。3月29日，搭载有4枚固体助推器的长征六号甲运载火箭在太原卫星发射中心成功首飞，填补了国内运载火箭固液联合控制领域空白。透过此次“长六改”发射，我们能否管窥到国内固体助推器如今发展几何，而国内固体助推器的未来发展又将如何发掘国产运载火箭的潜力？

吊装中的“长六改”固体助推器

差异化竞争如何焕发固体火箭“第二春”

就技术原理而言固体燃料火箭由来已久：早在宋代，人们用黑火药为推进剂做出了最早的固体火箭，并承载人类第一次航天事业的梦想——明代陶广义即试图利用固体燃料火箭飞向蓝天；而衍生到今天孩子们过年玩的“窜天猴”“二踢脚”，也算与现代固体火箭同宗同源。相比而言，人类第一枚液体火箭的概念则直到1903年才被俄国的科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基提出，并在1926年由美国火箭学家罗伯特·戈达德成功制作出了人类第一枚液体燃料火箭。

尽管技术概念更为久远，然而固体燃料火箭因其自身技术特点，使其在20世纪上半叶、人类向太空发起系列征途中仍鲜见踪影：液体火箭可通过控制燃料注入、选择关机/启动来改变推力大小、延长工作时间，关机点速度也不如液体火箭；而在航天技术的历史长河中，固体火箭在很长一段时间都是“一旦点燃就跟本停不下来”，无法像液体火箭一样随心所欲掌控推力——直到近年来，包括我国在内相继掌握了多脉冲点火、可变喷管喉部面积和可变燃面固体药柱技术，才使固体火箭得以在一定范围内调节推力、控制发动机工作时间。因此，通常而言固体火箭较液体火箭工作时间短、比冲低，一定程度限制了固体火箭用于轨道发射任务。

当然，固体火箭相较液体火箭自然也有其优点。结构简单可靠性好、燃料密度高总重低、可常年贮存，随用随发这些特点自不必赘述，如果说液体火箭是长跑运动员、那么固体火箭则更像短跑运动员——虽然耐力不佳但爆发力强。对于得靠大力出奇迹把很重的火箭迅速推离地表的火箭助推器而言，固体火箭的劣势此时反而也转化成优势。

这一特点也让固体火箭焕发出新的生命力，并不断拓展在航天领域的应用场景：如美国航天飞机SRB固推及目前拥有近1600kn全球最大推力的新一代重型火箭SLS采用的五段式固推；以及著名的欧洲阿里亚娜系列火箭与日本H系列火箭所采用的固体助推器。

美国航天飞机捆绑的两台千吨级固体助推器(SRB)承担了80%的起飞推力，而它也衍生出目前SLS运载火箭所捆绑的号称全球最大推力（1587KN）固体助推器.

我国固体助推缘何姗姗来迟？

尽管固体火箭运用于起飞段好处多多，但世界航天俱乐部的另两大成员：中国与俄罗斯运载火箭却鲜有采用固体助推器的。这固然有两国在固体助推器技术方面积淀与美国及西欧等国不同，更重要的有两者在火箭动力技术路线上的差异。

自上世纪70年代以来，从美国航天飞机采用的主发动机芯级是比冲大的低温芯级——液氢液氧发动机。但光靠这一个主芯级起飞推力在刚点火后一段时间推重比≤1，如仅靠一个低温芯级会出现点火后动静大、但迟迟飞不起来的尴尬；而可迅速释放巨大推力的固体火箭发动机可以较高推重比使火箭在助推段快速接近轨道，并让低温主芯级以节流模式点火运作，延长工作时间。

正在起飞的阿里亚娜-5运载火箭，可以看到此时火箭主芯级尚未推力全开，几乎全靠固体助推器将火箭推离地面

我国（及情况类似的苏/俄）运载火箭则在相当一段时间没有选择点开固体助推器这条科技树：自长征一号运载火箭以来即采用常温推进剂的一级发动机，与弹道导弹的动力技术路线同步发展，因此海平面比冲较高、在起飞段即拥有≥1的推重比，不用助推器即可直接起飞。由长征二、三号发展出捆绑型号后，为了确保新构型起飞推重比及飞行过程加速度不能过大以避免火箭故障率提升，以及提高动力系统通用性以降低火箭全系统成本，而采用了与主芯级相同的动力系统作为助推器（这一思路也被长征五号运载火箭延续、并获得了较高的运载系数水平。

由于长征2号一开始脱胎自洲际弹道导弹，受制于体积限制因此设计为不依赖助推器即可直接起飞

而在研制长征六号运载火箭时，情况已不同往日：尽管起飞段推重比依然≥1，但基本型运力上限难以进一步拓展，势必需要通过发展捆绑型号将运力从运来的1吨(SSO轨道）提升至4吨级，以进一步覆盖长六（基本型）与长征七号间的运力空档，拓展火箭发射市场业务面。若延续现有液体型号并联主芯级捆绑模式，一方面运力略有溢出，另一方面则会让发射前准备时间进一步提升，而牺牲了原有的快速发射能力。在此背景下采用“固液混动”组合模式无疑将具有更高效、更经济的优势。

点火升空的长六改火箭 图源：新华社

“国内首发”如何做到堆料和性能兼顾？

“长六改”这型“固液混动”火箭虽是我国运载火箭里的最新成员，但它此次所采用的固体助推器却是一款“老兵”：早在2009年，航天四院即率先成功研制直径2米、推力120吨的中国当时最大整体式固体火箭发动机，并在2018年衍生出如今长征六号甲的捆绑固体助推动力；通过它我们也可从中管窥如今我国固体火箭助推器的技术水平。

2015年公开亮相的2米级120吨整体式固体火箭发动机，长六改的固推也由此衍生

固体发动机要实现大推力最简单粗暴的就是提高装药量，通常途径有两条：既增大直径或增加长度，由于直径受制于运输条件和发射场，一般固体火箭更倾向于以分段式增加长度——由独立的各部分结构连接而成，且每部分有各自的壳体、推进剂药柱和保温结构等，适用于特大型固体火箭，便于装药和运输等。

“长六改”的固推所采用2m/2分段式结构，总长十余米，壳体的连接密封是实现发动机大型化的前提和基础。为实现超长壳体的加工、控制加工变形，负责生产的航天四院配套加工了专用的环形槽和密封槽刀具保障切削精度，并专门设计了一种依靠Ｕ型件的接触力并配合销钉的剪切承担载荷，有效降低结构重量、提高在发动机承受内压过程中连接密封的可靠性。为避免装配阶段立卧转换造成的冗余环节，运用难度更高的水平对接装配技术，分段完成装药的燃烧室平稳、可调对接，保证燃烧室整体密封性。

“好嘴”如何不怕烫？

随着助推器尺寸的加大、推力的提髙，控制能力也需相应增强，以应对发动机工作末期出现最大推力不平衡，而作为我国首款运载火箭固体助推发动机，它运用了我国目前最大尺寸的复合材料柔性喷管作为助推段姿态控制手段——这是一种推力损失小、能提供大侧向力的全轴摆动矢量控制系统，使火箭只承受平移力而不承受翻转力矩，从而保持飞行稳定。

由于柔性喷管特别是喷管扩张段作为提高能量转换效率的关键部件，需始终处于高温、强腐蚀和高热冲刷的力学载荷环境中工作，国内包括长六改在内所采用的固体助推发动机，其柔性喷管大多采用树脂基来制作扩张段，这种材料具有高温力学载荷环境下可靠性高、生产周期短、成本低等优点。

缠绕成型工艺

在制造过程中，有一项关键工艺就是缠绕成型工艺——将浸过树脂胶液的连续纤维（如布带、预浸纱）按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得复合材料制品。此前，国内主要采用布带重叠缠绕成型方式，这种缠绕工艺相对简单，但这种工艺制作成的复合材料喷管耐烧蚀效率会随着喷管尺寸与推力提升而下降，无法满足我国新一代大尺寸固推喷管的性能需求。

因此，我国开展了布带斜向缠绕成型技术的研究与应用。这种斜向缠绕结构中，构件内部布层方向与气流方向一致，降低固体发动机扩张段人口端的烧蚀率，并可以制作出内部为抗烧蚀防热材料，中间为隔热材料，外部为结构材料的烧蚀防热构件，从而大幅抗烧蚀剥蚀能力强，使我国新一代固体助推发动机得以快速释放出大推力。

缠绕成型的树脂基复合材料

向“更大”“更强”冲击

“长六改”的面世一改以往我国捆绑火箭纯液体的格局，实现“固体助推+液体芯级”构型的突破，但对于我国运载火箭用固体助推发动机而言，也只是个新的起点。随着国内各式新材料、新型制造工艺及新结构的不断涌现和发展，为我国研发分段式固体发动机的性能提升和成本控制提供了手段：各种高性能分段纤维壳体、卡环连接结构等技术的使用，进一步降低发动机惰性质量、提升推重比。热塑性推进剂、３Ｄ打印制造等技术的成熟和使用，进一步改变固体助推发动机的制造模式，进而显著降低发动机的制造成本。

正在试车的分段式大型固体发动机 图源：中国航天科技集团有限公司

多项技术的突破与创新也带动中国大型整体式固体火箭发动机技术逐渐跻身全球领先地位——2019年，直径2.6米、推力200吨的整体式固体发动机问世；2021年10月自主研制成功全球范围内推力最大的整体式固体火箭发动机并顺利试车，实现了中国在固体运载能力上的巨大飞跃。目前我国已基于500吨推力整体式固体发动机，开展直径3.5级米多分段（最高可达5分段）发动机的研究，从而将固体助推发动机的推力提升到千吨级以上。

图源：中国航天科技集团有限公司

结语：

在国内固体发动机技术日益成熟的牵引下，长六改运载火箭实现了固体助推器运用于国产运载火箭的“零突破”，，而随着更多“更大”、“更强”的国产火箭固体助推器的问世，也将给我国未来大型、重型火箭家族的型谱拓展提供更多动力选择。

参考文献：

[1] 航天动力技术研究院：十年艰辛砺一箭，固体助推耀长空[EB/OL].https://baijiahao.baidu.com/s?id=1728770254690345461&wfr=spider&for=pc，2022-3-31

[2] 郭亚林 ；刘毅佳 ;李瑞珍 ;滕会平 ;赵文斌: 固体发动机喷管扩张段斜向缠绕成型技术研究进展 [N]；宇航材料工艺， 2014,44(3)