田維平，王立武，王 偉

(中國航天科技集團有限公司第四研究院，西安 710025)

0 引言

固體火箭發(fā)動機作為導彈武器裝備的動力源，直接決定了導彈武器遠程投送、機動突防的能力，是武器裝備作戰(zhàn)效能發(fā)揮的前提和基礎(chǔ)，更是推動導彈武器升級換代的核心技術(shù)。與此同時，隨著太空探索與商業(yè)航天的快速發(fā)展，固體火箭發(fā)動機也逐步應用于航天運載與固體助推領(lǐng)域[1-4]。

國內(nèi)外對固體火箭發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展高度重視，尤其是進入21世紀以來，隨著設計分析、推進劑、材料和制造工藝水平的提高，固體火箭發(fā)動機技術(shù)水平得到了快速發(fā)展，為導彈武器和運載能力提升奠定了基礎(chǔ)。我國固體動力技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，固體動力技術(shù)跨上新的臺階，高能、高壓強、碳纖維殼體、高裝填技術(shù)、可變流量固沖發(fā)動機、固體姿軌控發(fā)動機、單室雙推力以及雙脈沖發(fā)動機等一大批先進技術(shù)得到突破。然而，與美俄等強國相比仍存在一定差距，主要體現(xiàn)在戰(zhàn)略發(fā)動機的能量水平、質(zhì)量比、免維護等方面，戰(zhàn)術(shù)發(fā)動機的性能、環(huán)境適應性等方面，固體運載的大型化、低成本、制造能力等方面。因此，面對未來先進武器裝備和宇航運載對固體火箭發(fā)動機的需求，有必要研究未來發(fā)動機的技術(shù)特征，梳理關(guān)鍵技術(shù)，全面提升固體發(fā)動機設計及制造水平，為我國航天事業(yè)的未來發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

為此，本文從戰(zhàn)略導彈固體火箭發(fā)動機、戰(zhàn)術(shù)導彈固體火箭發(fā)動機、航天運載固體火箭發(fā)動機及超音速高超音速導彈固體組合動力四個領(lǐng)域著手，總結(jié)了國內(nèi)外固體火箭發(fā)動機技術(shù)發(fā)展，分析了固體火箭發(fā)動機技術(shù)發(fā)展方向，提出了固體火箭發(fā)動機面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，并探討了主要解決途徑。

1 國內(nèi)外固體火箭發(fā)動機技術(shù)發(fā)展

1.1 戰(zhàn)略導彈固體火箭發(fā)動機

國外主要的戰(zhàn)略導彈武器均采用三級固體火箭發(fā)動機作為動力系統(tǒng)，如美國三叉戟II-D5、侏儒、民兵-Ⅲ、MX導彈，俄羅斯白楊-M、RS-24，法國M-51等[5-6]。當前，國內(nèi)外戰(zhàn)略導彈固體火箭發(fā)動機實際比沖可達到261～301 s，質(zhì)量比可達到0.93～0.95，主要有如下技術(shù)特點：

(1)高性能高能推進劑廣泛應用，采用NEPE和ADN/AlH3推進劑，標準比沖達到255～260 s，常溫延伸率達到65%～100%，抗拉強度達到0.7 MPa水平。

(2)高裝填藥柱設計逐步采用，裝藥m數(shù)>5，裝填分數(shù)大于0.95。

(3)發(fā)動機采用高壓強設計和速燃技術(shù)，工作壓強大于10 MPa，主動段工作時間在150 s以內(nèi)。

(4)高性能復合材料殼體廣泛應用，廣泛采用高性能IM-7碳纖維、APMOC有機纖維殼體材料，抗拉強度大于5500 MPa，彈性模量大于200 GPa。

(5)輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)設計廣泛應用，采用卡環(huán)連接、網(wǎng)格裙及低密度燒蝕材料等，消極質(zhì)量得到有效降低。

(6)高沖質(zhì)比噴管技術(shù)水平不斷提升，小力矩輕質(zhì)柔性接頭、C/C擴張段、多級延伸噴管、耐燒蝕喉襯等技術(shù)得到可靠應用，噴管沖質(zhì)比達到131 kN·s/kg以上。

1.2 戰(zhàn)術(shù)導彈固體火箭發(fā)動機

在戰(zhàn)術(shù)導彈固體火箭發(fā)動機領(lǐng)域，國外主要的先進戰(zhàn)術(shù)導彈武器均使用單級或兩級固體火箭發(fā)動機作為動力系統(tǒng)，包括美國的PAC-3、標準-6，俄羅斯的伊斯坎德爾、S-500，德國的HFK2000等[7-8]。當前，國內(nèi)外戰(zhàn)術(shù)導彈固體火箭發(fā)動機實際比沖可達245～265 s，發(fā)動機質(zhì)量比達到0.8～0.92，發(fā)動機適應環(huán)境溫度可達到-40～+60 ℃，飛行過載40g以上，主要有如下技術(shù)特點：

(1)推進劑種類豐富，發(fā)動機廣泛采用丁羥三組元、四組元推進劑；在特殊平臺上，疊氮推進劑、高能推進劑、低易損推進劑等也在逐步應用，推進劑力學性能和燃燒性能滿足極端使用條件要求。

(2)采用高性能材料殼體技術(shù)，發(fā)動機以超高強鋼金屬殼體為主，耐高溫樹脂復合材料殼體也得到不斷應用，金屬殼體材料強度大于1620 MPa，延伸率大于8%，復合材料纖維強度大于5500 MPa，模量大于200 GPa。

(3)使用超高壓強燃燒室技術(shù)，發(fā)動機壓強大于20 MPa，燃燒效率得到進一步提升。

(4)能量管理技術(shù)得到快速發(fā)展，多脈沖發(fā)動機、變推力發(fā)動機、固體姿軌控發(fā)動機均得到應用，復合材料軟隔層雙脈沖發(fā)動機水平不斷提升，間隔時間大于200 s，質(zhì)量比大于0.85。

(5)矢量噴管技術(shù)不斷提高，球窩噴管、輕質(zhì)小力矩柔性噴管、珠承噴管得到廣泛應用，擺動力矩小于1000 N·m，沖質(zhì)比達到200 kN·s/kg。

1.3 航天運載固體火箭發(fā)動機

固體火箭發(fā)動機最早是作為導彈武器的動力系統(tǒng)，之后隨著航天技術(shù)的進步，固體火箭發(fā)動機在宇航運載和深空探測領(lǐng)域有了更多的應用，主要作為全固體運載火箭的主發(fā)動機、捆綁式運載火箭的助推發(fā)動機等。進入21世紀以來，國外開展火神、歐米茄、阿里安6、H-3等運載火箭的研發(fā)工作，大部分都使用了先進的固體火箭發(fā)動機技術(shù)[3]。當前，以P120C為代表的整體式固體火箭發(fā)動機，其技術(shù)水平為直徑3.4 m、裝藥量143 t、推力280 t、質(zhì)量比0.92；以Castor-1200發(fā)動機為代表的分段式固體火箭發(fā)動機，其技術(shù)水平為直徑3.71 m、分4段、裝藥量500 t、組合推力大于1200 t、工作時間132 s。航天運載與助推固體火箭發(fā)動機主要技術(shù)特點如下：

(1)采用通用化、模塊化、系列化發(fā)展思路，通過采用成熟技術(shù)，系列化發(fā)展模式，通過模塊化組合，快速構(gòu)建各類運載火箭系列。

(2)大型整體式固體火箭發(fā)動機性能水平不斷提升，通過采用碳纖維復合材料殼體，提高發(fā)動機工作壓強，質(zhì)量比大于0.92，發(fā)動機性能水平不斷提升。

(3)大型分段式固體火箭發(fā)動機由鋼殼體向復合材料殼體發(fā)展， Castor-600/1200發(fā)動機均采用復合材料殼體分段對接技術(shù)，形成了不同運載能力的固體火箭發(fā)動機系列。

(4)發(fā)動機朝著低成本化發(fā)展，采用成熟材料、成熟工藝、連續(xù)裝藥、自動化制造等措施降低成本。

1.4 超音速高超音速導彈固體組合動力

固體組合動力是在固體火箭發(fā)動機基礎(chǔ)上，與其他如吸氣、吸水式動力相結(jié)合而衍生發(fā)展的一類組合動力形式。目前主要包括固體沖壓發(fā)動機、水沖壓發(fā)動機、固體超燃沖壓發(fā)動機等技術(shù)，已在歐洲流星、俄羅斯R-77M-PD、美國T3等導彈上得到應用，主要技術(shù)現(xiàn)狀如下：

(1)固體沖壓發(fā)動機(見圖1)已應用于導彈武器動力系統(tǒng)，實現(xiàn)了固體沖壓發(fā)動機彈機一體化設計，成功合成含硼貧氧推進劑，實現(xiàn)高效二次燃燒組織和大調(diào)節(jié)比固體燃氣流量調(diào)節(jié)，以及富氧條件下熱防護問題，比沖可達930 s以上。

圖1 固體沖壓發(fā)動機原理示意圖

(2)水沖壓發(fā)動機(見圖2)已應用于多個魚雷武器動力系統(tǒng)，俄羅斯、美國及歐洲較早開展了水沖壓發(fā)動機技術(shù)的研究，研制了金屬基推進劑，實現(xiàn)了金屬燃料/水高效燃燒，突破了高效供水及調(diào)節(jié)控制技術(shù)，比沖可達到550 s以上。

圖2 水沖壓發(fā)動機原理示意圖

(3)固體超燃沖壓發(fā)動機(見圖3)處于探索研究階段，開展了固體超燃沖壓發(fā)動機總體設計及性能預示研究，研制了高性能推進劑配方，發(fā)展了超音速條件下固體燃料高效燃燒組織和高效承載/隔防熱一體化方案，完成了自由射流集成驗證。

圖3 固體超燃沖壓發(fā)動機原理示意圖

2 固體火箭發(fā)動機技術(shù)發(fā)展方向

瞄準國際固體火箭發(fā)動機的一流技術(shù)水平，適應未來先進導彈武器和固體運載等技術(shù)發(fā)展的需求，我國固體火箭發(fā)動機技術(shù)應針對高性能(含高能)、強適應、大型化、組合化與新型動力四個方面持續(xù)開展創(chuàng)新研究，不斷提升固體火箭發(fā)動機技術(shù)水平，支撐航天強國建設。

固體火箭發(fā)動機需要實現(xiàn)高能高性能，通過創(chuàng)新固體火箭發(fā)動機設計理念、持續(xù)研究新型高能推進劑和先進的功能材料、不斷提升工藝和制造水平，固體火箭發(fā)動機能量水平和質(zhì)量比分別實現(xiàn)305～310 s、0.95，滿足戰(zhàn)略領(lǐng)域?qū)腆w火箭發(fā)動機的需求。

為滿足未來戰(zhàn)術(shù)導彈對固體火箭發(fā)動機的性能水平和使用適應性需求，固體火箭發(fā)動機還應該具有高性能強適應特點，通過采用先進的設計分析技術(shù)、推進劑以及復合材料技術(shù)，在提升發(fā)動機性能同時，滿足高低溫環(huán)境、大過載、低易損等特殊要求,固體火箭發(fā)動機能量水平和質(zhì)量分別比達到265 s、0.90。

對于航天運載與助推領(lǐng)域，大型化是固體火箭發(fā)動機的發(fā)展目標。一方面，發(fā)展先進整體式大型固體火箭發(fā)動機，突破纖維殼體、大型柔性噴管等技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)動機直徑3.5 m、推力500 t、工作時間120 s、質(zhì)量比≥0.93，為全固體運載火箭提供高性能基礎(chǔ)級動力；另一方面，發(fā)展大型金屬殼體分段式固體火箭發(fā)動機，突破分段燃燒室對接、大流量高可靠矢量噴管等技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)動機直徑3.5 m、5段式、推力1500 t、工作時間120 s、質(zhì)量比0.86，為重型運載火箭提供高可靠助推動力[9-10]。

與此同時，在組合與新型動力方面，應以固體火箭發(fā)動機技術(shù)為基礎(chǔ)，繼續(xù)深化發(fā)展研究固體組合動力技術(shù)，推動固體組合動力向長航時、大型化、高超聲速、寬域和跨介質(zhì)等方向發(fā)展，發(fā)展具備Ma=2～10、千秒級長航時及空水跨介質(zhì)工作的高性能固體組合動力，支撐未來先進超聲速、高超聲速及智能化武器裝備的發(fā)展。

3 固體火箭發(fā)動機面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題

3.1 戰(zhàn)略導彈固體火箭發(fā)動機面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題

針對戰(zhàn)略導彈固體火箭發(fā)動機，為實現(xiàn)高能高性能，需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)問題：

(1)開展新型高能推進劑的應用與研究：降低推進劑燃速、穩(wěn)定力學性能，實現(xiàn)新型高能推進劑工程化應用；突破AlH3的高效低成本規(guī)?；苽浜徒蹈袘藐P(guān)鍵技術(shù)，提升更高能量的新型推進劑綜合性能，滿足實用化需求。

(2)不斷提升復合材料殼體的生產(chǎn)效率：突破高強、高韌、耐高溫樹脂配方技術(shù)，改進完善固體火箭發(fā)動機殼體成型與固化工藝，不斷提高固體火箭發(fā)動機殼體的PV/W水平。

(3)實現(xiàn)更高藥重比燃燒室技術(shù)：通過進一步提高推進劑力學性能，采用高(滿)裝填藥柱設計技術(shù)，優(yōu)化人脫結(jié)構(gòu)，采用加壓固化工藝，研究新型輕質(zhì)耐燒蝕材料，強化防脫粘技術(shù)研究，滿足固體火箭發(fā)動機高質(zhì)量比的要求。

(4)進一步提升發(fā)動機噴管沖質(zhì)比：突破C/C擴張段噴管設計、材料、工藝技術(shù)，實現(xiàn)工程化應用；在大幅增加發(fā)動機延伸噴管增益比的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)多級延伸噴管的工程化應用；發(fā)展超音速分離線噴管技術(shù)，大幅降低發(fā)動機噴管擺動力矩；創(chuàng)新柔性接頭生產(chǎn)工藝，提高柔性接頭工作可靠性和壽命。

(5)建立“六性”研究方法規(guī)范：圍繞固體火箭發(fā)動機全壽命使用周期，開展固體火箭發(fā)動機可靠性、安全性、維修性、保障性、環(huán)境適應性、測試性的研究方法研究，建立科學的研究流程和規(guī)范。

(6)發(fā)動機的壽命評估與健康監(jiān)測研究：基于信息和人工智能技術(shù)的發(fā)展，開展發(fā)動機壽命評估與健康監(jiān)測方法的研究，建立科學規(guī)范的發(fā)動機壽命評估與健康監(jiān)測體系。

(7)制訂固體火箭發(fā)動機整體性能提升專項計劃：為保證固體火箭發(fā)動機技術(shù)水平持續(xù)不斷發(fā)展，滿足未來導彈武器和航天運載的需求，應制訂保證固體火箭發(fā)動機長遠發(fā)展的專項研究計劃，組織開展基礎(chǔ)研究。

3.2 戰(zhàn)術(shù)導彈固體火箭發(fā)動機面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題

為滿足戰(zhàn)術(shù)導彈固體火箭發(fā)動機高性能強適應需求，需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)問題：

(1)發(fā)展高綜合性能推進劑技術(shù)：實現(xiàn)低燃速、低易損、適應寬溫度范圍、高壓強工作條件的高性能推進劑。

(2)提高超高壓強發(fā)動機工作可靠性：研究超高壓強發(fā)動機工作機理和特性，分析點火、燃燒、流動、結(jié)構(gòu)工作協(xié)調(diào)性和匹配性，提高其工作可靠性。

(3)開展適應寬溫域高裝填的發(fā)動機工作可靠性研究：分析推進劑在寬溫域條件下的力學特性和發(fā)動機結(jié)構(gòu)匹配性，解決發(fā)動機在高低溫極端工作條件下的藥柱結(jié)構(gòu)完整性問題。

(4)進一步提升雙脈沖發(fā)動機性能水平：加強彈機一體化聯(lián)合設計，優(yōu)化兩級脈沖能量特性，解決兩次脈沖可靠點火、燃燒室絕熱燒蝕、噴管二次熱沖擊等核心技術(shù)，提升發(fā)動機質(zhì)量比。

(5)強化發(fā)動機不穩(wěn)定燃燒研究：深化發(fā)動機不穩(wěn)定燃燒機理分析，開展高性能發(fā)動機不穩(wěn)定燃燒抑制方法研究，解決高性能固體火箭發(fā)動機在過載條件下的不穩(wěn)定燃燒問題。

(6)開展低易損發(fā)動機研究：開展高性能低易損性推進劑研究，解決低易損配方、殼體主被動防護、低易損安全性評估體系等核心技術(shù)，開展低易損固體火箭發(fā)動機研制，滿足特定平臺對發(fā)動機低易損性的要求。

3.3 航天運載固體火箭發(fā)動機面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題

為滿足全固體運載火箭及重型運載火箭的使用要求，實現(xiàn)固體火箭發(fā)動機的大型化，需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)問題：

(1)大型復合材料殼體設計與制造工藝技術(shù)：開展大直徑復合材料殼體與工藝一體化研究，解決大開口封頭補強技術(shù)、復合材料一體纏繞裙技術(shù)，實現(xiàn)直徑3.5 m，PV/W≥45 km。

(2)復合材料殼體分段對接技術(shù)：解決復合材料殼體連接部位補強、薄壁大開口變形控制、連接密封技術(shù)，實現(xiàn)分段式殼體直徑3.5 m，分段數(shù)≥3。

(3)大尺寸柔性噴管核心部組件制造技術(shù)：突破噴管中空編織C/C喉襯自動化制備、大尺寸RTM擴張段制造、大尺寸柔性接頭制備、柔性噴管自動化裝配與檢測等技術(shù)，實現(xiàn)喉徑≥1400 mm、出口直徑≥3000 mm。

(4)大型固體火箭發(fā)動機連續(xù)裝藥技術(shù)：實現(xiàn)單臺裝藥量≥600 t燃燒室的連續(xù)裝藥、無損檢測技術(shù)，滿足大型固體助推發(fā)動機多臺同步裝藥的要求。

(5)低成本潔凈推進劑技術(shù)：重點解決低成本潔凈推進劑配方、關(guān)鍵原材料的低成本制備、推進劑低成本制造工藝等問題，實現(xiàn)成本與現(xiàn)有同類產(chǎn)品相比降低30%，大幅度降低有害氣體含量。

(6)大型固體火箭發(fā)動機可靠熱防護技術(shù)：開展新型燃燒室絕熱材料與成型工藝研究、噴管長時間下熱結(jié)構(gòu)梯度化設計與精細化仿真研究、核心熱結(jié)構(gòu)件的性能表征方法研究等，解決大型固體火箭發(fā)動機可靠熱防護技術(shù)問題。

(7)開展大型分段式固體火箭發(fā)動機流動穩(wěn)定性研究：開展分段式燃燒室流動與結(jié)構(gòu)一體化匹配性設計、基于大渦模擬的內(nèi)流場穩(wěn)定性仿真、流動穩(wěn)定性評判標準等研究，確保工作過程燃燒穩(wěn)定。

(8)固體火箭發(fā)動機模塊化、系列化、組合化發(fā)展與應用技術(shù)：基于現(xiàn)有固體火箭發(fā)動機直徑系列和推力覆蓋范圍和在研整體式、分段式大型固體火箭發(fā)動機，通過運載火箭芯級動力和助推動力的模塊化和優(yōu)化組合，實現(xiàn)運載火箭能力的最大覆蓋和拓展。

3.4 固體組合動力面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題

在固體組合動力方面，需解決如下關(guān)鍵技術(shù)問題：

(1)高速固體火箭亞燃沖壓發(fā)動機技術(shù)：在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，重點圍繞發(fā)動機工作包線和工作時間拓展兩大方向，將發(fā)動機工作的速度上限提高至Ma=5以上，工作時間拓展至千秒級，滿足未來智能導彈對動力系統(tǒng)提出的快速響應、長時間滯空、寬域靈活調(diào)節(jié)等需求。

(2)固體火箭超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)：開展固體燃料高效儲能與超音速燃燒、密相輸運、主被動復合熱防護等重大基礎(chǔ)研究，加速推進固體燃料配方、長航時供給與調(diào)節(jié)、超音速燃燒組織、燃燒室高效承載/防熱一體化設計等關(guān)鍵技術(shù)突破，支撐未來高超聲速導彈武器的發(fā)展(單項試驗見圖4)。

圖4 直連續(xù)航試驗示意圖

(3)水沖壓發(fā)動機技術(shù)：開展長時間工作水沖壓發(fā)動機與水下超空泡航行器匹配設計技術(shù)研究，突破高能金屬基推進劑配方與摻混燃燒組織、高效供水與調(diào)控、一次燃氣高效噴射等核心技術(shù)，以適應未來水下超空泡航行器對先進動力系統(tǒng)的需求。

(4)跨介質(zhì)組合動力技術(shù)： 探索固體組合動力工作和能量轉(zhuǎn)化新模式，開展粉末燃料配方、粉末輸運和流量調(diào)節(jié)、多氧化環(huán)境下粉末燃料高效燃燒組織、多模態(tài)轉(zhuǎn)換與調(diào)控等技術(shù)研究，支撐未來固體組合動力技術(shù)的跨越發(fā)展，滿足未來智能化戰(zhàn)爭環(huán)境中，武器裝備全時、全域、跨介質(zhì)工作的能力需求。

4 結(jié)論

固體火箭發(fā)動機技術(shù)的進步是導彈武器、航天運載系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)。固體火箭發(fā)動機技術(shù)從無到有，通過自主創(chuàng)新，技術(shù)水平快速發(fā)展，有力支撐了我國航天事業(yè)的發(fā)展。面對未來先進武器裝備和航天運載對固體火箭發(fā)動機的需求和建設航天強國要求，固體火箭發(fā)動機技術(shù)還需要不斷的創(chuàng)新發(fā)展，解決面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，為我國導彈武器和航天運載事業(yè)的發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。