孫勇強(qiáng)， 佟明羲， 王鵬飛， 曹熙煒， 吳亞?wèn)|

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076 )

0 引言

固體運(yùn)載火箭采用固體發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力系統(tǒng)，具有快速測(cè)試、簡(jiǎn)易發(fā)射、易于貯存等特點(diǎn)。歐洲、日本、美國(guó)自20世紀(jì)五六十年代就開(kāi)始了固體運(yùn)載火箭研制。2011年至2021年9月，歐洲的織女星(Vega)、日本的艾普斯龍(Epsilon)、美國(guó)的飛馬座(Pegasus)、米諾陶(Minotaur)、金牛座(Taurus)5個(gè)型號(hào)系列的固體運(yùn)載火箭共執(zhí)行了40次發(fā)射。其中37次發(fā)射成功，3次發(fā)射失敗。歐洲的織女星火箭發(fā)射19次，有2次失利；艾普斯龍發(fā)射4次；飛馬座XL發(fā)射5次；米諾陶系列(含米諾陶C)發(fā)射11次；金牛座進(jìn)行了1次未成功的發(fā)射，更名為米諾陶C后，于2017年執(zhí)行了1次成功的發(fā)射任務(wù)。

1 國(guó)外固體火箭主動(dòng)力系統(tǒng)概述

1.1 織女星

織女星是歐洲航天局于1998年開(kāi)始推動(dòng)研制的固體運(yùn)載火箭，火箭于2012年2月13日?qǐng)?zhí)行首次飛行試驗(yàn)?；鸺呒s30.1 m，直徑3 m，起飛質(zhì)量約136.8 t，500 km太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力約為1 435 kg。織女星火箭自首飛至今，經(jīng)歷了兩次失利，2019年7月11日第15次飛行任務(wù)的失利是第二級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)Zefiro23燃燒室前封頭絕熱層故障導(dǎo)致的。2020年11月17日的飛行失利是液體上面級(jí)極性錯(cuò)誤導(dǎo)致的。

織女星火箭第一級(jí)采用直徑3 m的P80FW固體發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)采用Zefiro23發(fā)動(dòng)機(jī)，第三級(jí)采用Zefiro9A發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能如表1所示。

圖1 織女星系列火箭主動(dòng)力構(gòu)型Fig.1 Vega series launch vehicle solid rocket motors

表1 織女星各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)[1]Tab.1 Vega solid rocket motors characteristics[1]

三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)均使用帶復(fù)合裙的碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料殼體，燃燒室絕熱層使用添加芳綸纖維和玻璃空心微球的低密度三元乙丙橡膠，推進(jìn)劑為HTPB1912丁羥推進(jìn)劑，噴管為潛入式柔性擺動(dòng)噴管。P80FW噴管采取了降低成本的新技術(shù)，包括采用玻璃/環(huán)氧樹(shù)脂增強(qiáng)件的自防護(hù)柔性接頭，采用低剪切模量的橡膠彈性件，降低噴管擺動(dòng)力矩。擴(kuò)張段采用組合結(jié)構(gòu)，在前部高熱通量區(qū)域使用2D碳/酚醛材料，后部低熱通量區(qū)域使用3D針刺碳纖維和樹(shù)脂傳遞塑模工藝來(lái)降低成本。

織女星C是當(dāng)前織女星火箭的升級(jí)版，最早于2012年在歐洲航天局理事會(huì)部長(zhǎng)級(jí)會(huì)議上提出?？椗荂仍然采用與織女星相似的三級(jí)固體加液體上面級(jí)的構(gòu)型，火箭高35 m，直徑3.4 m，起飛質(zhì)量約210 t，500 km太陽(yáng)同步軌道軌道運(yùn)載能力2 342 kg。第一級(jí)采用P120C發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)采用Zefiro40發(fā)動(dòng)機(jī)，第三級(jí)采用織女星的Zefiro9A發(fā)動(dòng)機(jī)。一、二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2 織女星C的一、二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)[12]Tab.2 Vega-C first and second stage solid rocket motors characteristics[12]

Zefiro40發(fā)動(dòng)機(jī)也采用碳纖維殼體、丁羥推進(jìn)劑、潛入式柔性噴管。復(fù)合材料殼體的復(fù)合裙采用自動(dòng)鋪設(shè)技術(shù)代替手工鋪設(shè)，噴管的柔性接頭采用了與P80FW類似的低扭矩自防護(hù)柔性接頭。噴管結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

P120C 是目前世界上最大的整體式碳纖維殼體固體發(fā)動(dòng)機(jī)，裝有143.6 t丁羥推進(jìn)劑。噴管繼承P80FW的一些技術(shù)特征，包括采用組合結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張段，低扭矩自防護(hù)柔性接頭等，同時(shí)為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，取消了柔性接頭防熱罩。P120C噴管生產(chǎn)過(guò)程中采用新的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，包括柔性接頭增強(qiáng)件的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備、使用機(jī)器人的噴管自動(dòng)化總裝生產(chǎn)線，噴管與發(fā)動(dòng)機(jī)的水平對(duì)接也通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。噴管結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 P80FW與P120C噴管結(jié)構(gòu)示意Fig.2 P80FW and P120C nozzle

1.2 艾普斯龍

艾普斯龍是由日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)推動(dòng)研制的?；拘突鸺?4.4 m，直徑2.6 m，起飛質(zhì)量91 t，500 km太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力為450 kg，2013年9月14日成功首飛。改進(jìn)型的艾普斯龍?jiān)黾恿硕?jí)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥量，重新設(shè)計(jì)了二子級(jí)結(jié)構(gòu)，三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)從整流罩內(nèi)部退出，提升了整流罩內(nèi)部空間?；鸺鲃?dòng)力組成見(jiàn)圖3。

(a)基本型

(b)改進(jìn)型圖3 艾普斯龍火箭主動(dòng)力組成Fig.3 Epsilon launch vehicle solid rocket motors

艾普斯龍第一級(jí)采用H-2A和H-2B運(yùn)載火箭的SRB-A固體發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)使用整體式碳纖維復(fù)合材料殼體、丁羥推進(jìn)劑，使用的噴管為潛入式柔性擺動(dòng)噴管。2003年H-2A火箭固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯與擴(kuò)張段連接處燃?xì)庑孤?，?dǎo)致H-2A火箭飛行失敗，因此對(duì)SRB-A噴管進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要改進(jìn)措施包括：1)擴(kuò)張段型面由錐形改為鐘型，增大噴管初始擴(kuò)張半角；2)增加擴(kuò)張段防熱層厚度；3)增加喉襯向擴(kuò)張段的延伸長(zhǎng)度。SRB-A噴管改進(jìn)示意見(jiàn)圖4。

圖4 SRB-A噴管的改進(jìn)Fig.4 Improvement of SRB-A nozzle

基本型艾普斯龍第二級(jí)采用M34c發(fā)動(dòng)機(jī)，基于M-V火箭的第三級(jí)發(fā)展而來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用碳纖維復(fù)合材料殼體、丁羥推進(jìn)劑，帶螺旋彈簧伸展器的潛入式柔性擺動(dòng)延伸噴管，噴管喉部安裝了可拋式喉塞點(diǎn)火器。第三級(jí)采用KM-V2b發(fā)動(dòng)機(jī)，在M-V火箭第四級(jí)基礎(chǔ)上改進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)殼體為碳纖維復(fù)合材料，推進(jìn)劑牌號(hào)與二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)相同，火箭第三級(jí)采用自旋穩(wěn)定姿態(tài)控制方式，噴管采用潛入式固定噴管，噴管喉部也安裝可拋式喉塞點(diǎn)火器。

改進(jìn)型火箭第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)M35裝藥量與M34c相比增加了約4 t，還將噴管喉點(diǎn)火器移到了燃燒室前部。改進(jìn)型火箭第三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)為KM-V2c。這兩型發(fā)動(dòng)機(jī)都不再使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的延伸噴管。發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)見(jiàn)表3、表4。

表3 艾普斯龍基本型固體發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)[16，18]Tab.3 Epsilon solid rocket motors characteristics[16，18]

表4 改進(jìn)型的二、三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)[16]Tab.4 Enhanced Epsilon second and third stage solid rocket motors characteristics[16]

未來(lái)的艾普斯龍S型火箭第一級(jí)將使用SRB-3發(fā)動(dòng)機(jī)，SRB-3與 SRB-A 的總長(zhǎng)、裝藥量、直徑基本一致，可以降低由于引入新技術(shù)而導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，而且可以繼續(xù)使用SRB-A 的制造設(shè)備和工裝，達(dá)到降低研制成本的目的。SRB-3殼體使用日本產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料和橡膠彈性層，不再使用美國(guó)產(chǎn)復(fù)合材料，提高了材料選用的自由度。殼體設(shè)計(jì)采用日本本土技術(shù)，不需要再向國(guó)外支付技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)，同時(shí)利用日本先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料技術(shù)和豐富的材料數(shù)據(jù)積累，殼體設(shè)計(jì)安全系數(shù)由1.5調(diào)整為1.25，通過(guò)減少殼體碳纖維材料使用量來(lái)降低成本，這與美國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)商用Castor120發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的思路不同。

1.3 飛馬座

飛馬座運(yùn)載火箭是有翼的空射固體運(yùn)載火箭，由當(dāng)時(shí)的軌道科學(xué)公司研制，是世界上首款空射運(yùn)載火箭。該型火箭有兩個(gè)版本，包括標(biāo)準(zhǔn)型、改進(jìn)了一、二級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的XL型。飛馬座標(biāo)準(zhǔn)型火箭于1990年5月首飛，火箭總長(zhǎng)度15.2 m，直徑1.3 m，起飛質(zhì)量19 t。飛馬座XL于1994年6月首飛，火箭總長(zhǎng)度16.9 m，直徑1.3 m，起飛質(zhì)量為23.1 t，500 km SSO運(yùn)載能力為250 kg。火箭動(dòng)力組成見(jiàn)圖5。

圖5 飛馬座XL動(dòng)力組成Fig.5 Pegasus XL solid rocket motors

飛馬座火箭使用的獵戶座系列發(fā)動(dòng)機(jī)主要包括直徑1.27 m的Orion50系列，直徑0.965 m的Orion38，這兩型發(fā)動(dòng)機(jī)起初都是專門為飛馬座火箭研發(fā)的。飛馬座標(biāo)準(zhǔn)型第一級(jí)使用Orion50S發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)使用Orion50發(fā)動(dòng)機(jī)，第三級(jí)使用Orion38發(fā)動(dòng)機(jī)。飛馬座XL增加了一、二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥量，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)推力及總沖水平，并且增加了兩級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度。飛馬座各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)均采用碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料殼體，丁羥推進(jìn)劑。第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)均為固定噴管，二、三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用柔性擺動(dòng)噴管。發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表5、表6。

表5 飛馬座標(biāo)準(zhǔn)型各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)[29]Tab.5 Pegasus solid rocket motors characteristics[29]

表6 飛馬座XL第一、二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)[29]Tab.6 Pegasus XL first and second stage solid rocket motors characteristics[29]

1.4 米諾陶

米諾陶系列火箭最初是在美國(guó)空軍的軌道與亞軌道項(xiàng)目支持下開(kāi)發(fā)的，由原軌道科學(xué)公司承擔(dān)研制，包括多個(gè)型號(hào)，其中米諾陶Ⅱ?yàn)轱w行靶彈，米諾陶Ⅲ目前無(wú)飛行試驗(yàn)記錄，這兩個(gè)型號(hào)在本文中不作探討。火箭動(dòng)力組成見(jiàn)圖6。

圖6 米諾陶系列火箭動(dòng)力組成Fig.6 Minotaur launch vehicle propulsion system

米諾陶Ⅰ的Ⅰ、Ⅱ級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了民兵Ⅱ彈道導(dǎo)彈的第Ⅰ、Ⅱ級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，Ⅲ、Ⅳ級(jí)采用了飛馬座XL的Ⅱ、Ⅲ級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。米諾陶Ⅳ運(yùn)載火箭在“和平衛(wèi)士”導(dǎo)彈全部三級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上增加了由Orion38發(fā)動(dòng)機(jī)和冷推姿態(tài)控制系統(tǒng)組成的制導(dǎo)控制組合，火箭高度約24 m，起飛質(zhì)量86 t，500 km SSO運(yùn)載能力約1 050kg。米諾陶Ⅳ-Lite在“和平衛(wèi)士”導(dǎo)彈的三級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上增加單組元末助推發(fā)動(dòng)機(jī)。米諾陶Ⅳ+則采用Star48V發(fā)動(dòng)機(jī)替換了米諾陶IV的Orion38發(fā)動(dòng)機(jī)。米諾陶V火箭高24.5 m，起飛質(zhì)量89 t，第四級(jí)使用了Star48BV固體發(fā)動(dòng)機(jī)，第五級(jí)使用Star37FM發(fā)動(dòng)機(jī)。

Star37FM、Star48BV的殼體采用鈦合金材料，推進(jìn)劑為丁羥。Star37FM采用固定式噴管，Star48BV采用柔性擺動(dòng)噴管，兩型發(fā)動(dòng)機(jī)都采用尾部點(diǎn)火方式。上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 米諾陶上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)[29]Tab.7 Minotaur upper stage solid rocket motors characteristics[29]

使用退役發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是在超期服役的情況下，使發(fā)動(dòng)機(jī)仍然能夠保持高可靠性。美國(guó)空軍建立了一套較完整的發(fā)動(dòng)機(jī)老化監(jiān)測(cè)程序，對(duì)起爆器、隔板點(diǎn)火器等組件進(jìn)行定期地面測(cè)試，記錄測(cè)試性能，并與要求值和歷史趨勢(shì)進(jìn)行比較，這些數(shù)據(jù)提供給空軍火箭系統(tǒng)發(fā)射工程團(tuán)隊(duì)進(jìn)行壽命預(yù)估。每6年會(huì)解剖一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，獲取推進(jìn)劑試件，在試件老化過(guò)程中，繼續(xù)測(cè)量推進(jìn)劑與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體間的黏接性能。每?jī)赡晏暨x庫(kù)存中最舊的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行一次點(diǎn)火試驗(yàn)，獲得柔性接頭、噴管等組件的性能，試驗(yàn)完成后仔細(xì)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、噴管、防熱層，確認(rèn)這些組件是否還能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

1.5 金牛座

金牛座運(yùn)載火箭是在美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的標(biāo)準(zhǔn)小型運(yùn)載火箭項(xiàng)目支持下，利用飛馬座火箭的技術(shù)基線開(kāi)發(fā)的一種快速響應(yīng)火箭?；鸺?994年3月首飛， 2014年2月金牛座火箭更名為米諾陶C，新命名的火箭主要改進(jìn)了箭上電子設(shè)備，主動(dòng)力系統(tǒng)沒(méi)有改變。2017年11月，米諾陶C發(fā)射成功?；鸺齽?dòng)力組成見(jiàn)圖7。

圖7 金牛座火箭固體動(dòng)力組成Fig.7 Taurus launch vehicle solid rocket motors

金牛座火箭是在對(duì)飛馬座火箭各級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，增加了“0級(jí)”固體發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成的四級(jí)固體運(yùn)載火箭。首飛時(shí)，“0級(jí)”采用“和平衛(wèi)士” 導(dǎo)彈的第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，后來(lái)“0級(jí)”替換為Castor120發(fā)動(dòng)機(jī)。

2011年3月發(fā)射的金牛座3110XL(使用1.6 m 整流罩)和2017年11月發(fā)射的米諾陶C(使用2.3 m整流罩)火箭高30～32 m，直徑2.36 m，起飛質(zhì)量約77 t。使用1.6 m/2.3 m整流罩時(shí)，500 km太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力分別約為1 050 kg/860 kg。火箭主動(dòng)力系統(tǒng)組成如表8所示。

表8 金牛座3110XL/米諾陶C 3210XL的典型主動(dòng)力組成Tab.8 Taurus 3110XL/Minotaur C 3210XL solid rocket motors

第“1級(jí)”O(jiān)rion50SXLT發(fā)動(dòng)機(jī)在飛馬座第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)了連接裙結(jié)構(gòu)，調(diào)整了噴管擴(kuò)張比，并將固定噴管改為柔性擺動(dòng)噴管。第“2級(jí)”在飛馬座第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)了連接裙結(jié)構(gòu)。第“0級(jí)”Castor120是為適應(yīng)發(fā)射小衛(wèi)星的運(yùn)載火箭需求，1988年開(kāi)始在“和平衛(wèi)士”第一級(jí)SR118發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上研制，使用了丁羥推進(jìn)劑、碳纖維復(fù)合材料殼體，它與SR118相比，直徑相當(dāng)，長(zhǎng)度更長(zhǎng)，裝藥量更多。殼體增強(qiáng)材料使用性能更好的T-1000碳纖維，這使發(fā)動(dòng)機(jī)在維持0.93質(zhì)量比的同時(shí)，安全系數(shù)由1.25提升到1.4，減少了殼體爆破試驗(yàn)次數(shù)，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成本。表9給出了金牛座“0級(jí)” Castor120發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)。

表9 Castor120發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)[29]Tab.9 Castor120 solid rocket motor characteristics[29]

2 國(guó)外固體運(yùn)載火箭主動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展特點(diǎn)思考

2.1 歐洲

歐洲的固體運(yùn)載火箭主動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展可以總結(jié)為以下兩個(gè)方面：

1)注重固體運(yùn)載火箭發(fā)展，將其用于近地軌道中小型載荷發(fā)射。

歐洲固體運(yùn)載火箭追求更大的規(guī)模和更強(qiáng)的運(yùn)載能力，織女星是目前世界上在役的規(guī)模最大的固體運(yùn)載火箭，用于發(fā)射2 t以下的近地軌道載荷。未來(lái)的織女星C將繼承這一特點(diǎn)，并且將近地軌道運(yùn)載能力提升至3.3 t。一級(jí)的P120C取代了P80FW成為當(dāng)今世界上最大的整體式固體發(fā)動(dòng)機(jī)?？椗窍盗谢鸺窃跉W洲航天一體化背景下，各國(guó)之間密切協(xié)作的產(chǎn)物。使用固體動(dòng)力運(yùn)載火箭，保護(hù)和促進(jìn)了歐洲固體發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)的發(fā)展。

2)采用多種手段降低成本以適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

歐洲的固體發(fā)動(dòng)機(jī)在繼承成熟技術(shù)的同時(shí)，不斷采用新技術(shù)、新工藝降低成本。新一代火箭的固體發(fā)動(dòng)機(jī)更加注重模塊化的發(fā)展模式，織女星C的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)作為阿里安6捆綁助推模塊。阿里安公司通過(guò)提高固體發(fā)動(dòng)機(jī)通用性，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)量產(chǎn)來(lái)稀釋成本。通過(guò)技術(shù)的繼承與創(chuàng)新、生產(chǎn)流程自動(dòng)化、發(fā)動(dòng)機(jī)通用化量產(chǎn)等一系列措施，整體上降低了歐洲運(yùn)載火箭成本，提高了競(jìng)爭(zhēng)力。

2.2 日本

艾普斯龍火箭是2006年M-V火箭退役后，日本研制的新一代固體火箭。通過(guò)分析，總結(jié)出日本固體運(yùn)載火箭發(fā)展兩個(gè)方面的特點(diǎn)：

1)重視固體動(dòng)力技術(shù)發(fā)展，使用固體運(yùn)載火箭驗(yàn)證自動(dòng)化測(cè)發(fā)控、火箭快速響應(yīng)發(fā)射等技術(shù)。

日本一直將固體動(dòng)力技術(shù)作為一項(xiàng)戰(zhàn)略能力來(lái)對(duì)待，艾普斯龍火箭一定程度上也是為了滿足日本驗(yàn)證火箭自動(dòng)化測(cè)發(fā)控、火箭快速響應(yīng)發(fā)射等技術(shù)的需求，與原來(lái)的M-V火箭相比，艾普斯龍火箭發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間更短，發(fā)射控制參與人員由60人減少到8人左右。固體發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于貯存、使用方便等特點(diǎn)，易于滿足此類需求。

2)動(dòng)力系統(tǒng)模塊化組合，發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型逐步改進(jìn)以適應(yīng)任務(wù)需求，大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)本土化發(fā)展。

艾普斯龍火箭一開(kāi)始就實(shí)行了模塊化的發(fā)展思路，一級(jí)直接借用了H-2系列運(yùn)載火箭的固體助推器SRB-A，且基本未作改變。為了更快地完成火箭首飛，二、三級(jí)構(gòu)型在原有基礎(chǔ)上也基本未變，首飛后才對(duì)噴管等組件進(jìn)行了適應(yīng)性調(diào)整，實(shí)行了漸進(jìn)式的發(fā)展策略。

SRB-A最初是在原阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司的技術(shù)支持下開(kāi)發(fā)的，其未來(lái)替代型SRB-3將更多地應(yīng)用日本的本土技術(shù)和材料以達(dá)到降低成本的目標(biāo)。與歐洲類似，日本新一代的H-3運(yùn)載火箭，使用SRB-3固體發(fā)動(dòng)機(jī)作為助推器，通過(guò)2～4個(gè)SRB-3與液體芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)不同的火箭構(gòu)型。新的艾普斯龍S型火箭使用帶有擺動(dòng)噴管的SRB-3實(shí)現(xiàn)一級(jí)推力矢量控制，而H-3火箭則使用簡(jiǎn)化的固定式噴管SRB-3作為助推器，利用芯級(jí)液體發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行姿態(tài)控制。

2.3 美國(guó)

美國(guó)的固體運(yùn)載火箭種類較歐洲、日本多，其發(fā)展特點(diǎn)具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1)創(chuàng)造開(kāi)放競(jìng)爭(zhēng)的航天運(yùn)輸市場(chǎng)，運(yùn)載能力相近的固體、液體火箭同時(shí)發(fā)展。

美國(guó)政府一直在努力開(kāi)發(fā)具有競(jìng)爭(zhēng)力的太空發(fā)射市場(chǎng)。1998 年的《商業(yè)航天法》禁止使用退役導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)用于商業(yè)發(fā)射，并限制它們?cè)谡l(fā)射中的使用，部分原因是鼓勵(lì)美國(guó)商業(yè)航天發(fā)射工業(yè)的發(fā)展。因?yàn)槭褂猛艘蹖?dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)用于商業(yè)發(fā)射可能對(duì)美國(guó)商業(yè)航天市場(chǎng)產(chǎn)生消極影響。

在政策支持和市場(chǎng)需求的推動(dòng)牽引下，一些新興公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出新的小型運(yùn)載火箭，目前美國(guó)具有入軌能力的小型運(yùn)載火箭包括火箭實(shí)驗(yàn)室的電子號(hào)液體運(yùn)載火箭、維珍軌道公司的發(fā)射者一號(hào)空射液體運(yùn)載火箭。這些火箭的飛行任務(wù)總量超過(guò)10年來(lái)美國(guó)所有小型固體運(yùn)載發(fā)射量的總和。從表10看出，美國(guó)新興航天公司的小型運(yùn)載火箭發(fā)射成本更低，傳統(tǒng)的小型固體火箭在價(jià)格上沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。一些典型火箭發(fā)射成本見(jiàn)表10。

表10 各型運(yùn)載火箭發(fā)射成本[42]Tab.10 Solid launch vehicles launch cost[42]

航天飛機(jī)計(jì)劃結(jié)束后，美國(guó)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑裝藥總量的需求下降了75% 以上，變化的市場(chǎng)條件導(dǎo)致產(chǎn)能過(guò)剩，產(chǎn)能過(guò)剩導(dǎo)致制造商無(wú)法維持成本競(jìng)爭(zhēng)力，這會(huì)危及發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的生存能力。但美國(guó)并沒(méi)有像歐洲、日本那樣將固體運(yùn)載火箭作為主要運(yùn)載器。與歐洲和日本相比，美國(guó)擁有兩個(gè)以上具有重疊發(fā)射能力的供應(yīng)商，這與美國(guó)政府和民間的投資密不可分，美國(guó)的發(fā)射服務(wù)預(yù)算遠(yuǎn)高于其他國(guó)家，資本市場(chǎng)對(duì)新興航天企業(yè)投入的程度也超過(guò)其他國(guó)家，航天企業(yè)利用這些投資，同時(shí)依靠美國(guó)深厚的航天工業(yè)基礎(chǔ)、技術(shù)儲(chǔ)備以及政府的政策支持，才有了當(dāng)前活躍的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)局面，美國(guó)政府從中受益頗豐，一定程度上扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)美國(guó)航天企業(yè)壟斷發(fā)射市場(chǎng)成本居高不下的情況。

2)對(duì)退役導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行老化監(jiān)測(cè)、壽命預(yù)估和整修，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的同時(shí)節(jié)約開(kāi)支。

美國(guó)的米諾陶系列火箭動(dòng)力系統(tǒng)廣泛使用了退役導(dǎo)彈民兵Ⅱ、“和平衛(wèi)士”導(dǎo)彈的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，解決了美國(guó)簽署《削減戰(zhàn)略武器條約》后，退役導(dǎo)彈的資源再利用問(wèn)題?；鸺昧艘延屑夹g(shù)和已經(jīng)生產(chǎn)完成的產(chǎn)品，提高了固體火箭的技術(shù)成熟度和可靠度，降低了研制成本，縮短了研制周期，同時(shí)也節(jié)約了對(duì)庫(kù)存發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)費(fèi)用支出。這種發(fā)展模式與美國(guó)在前期大規(guī)模的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)投入密不可分。

美國(guó)民兵導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的老化監(jiān)測(cè)計(jì)劃始于1959年，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的投入和發(fā)展，美國(guó)形成了較為完善的固體發(fā)動(dòng)機(jī)壽命評(píng)估體系，并且制定了嚴(yán)格的發(fā)動(dòng)機(jī)整修、檢查方法，并且這些方法經(jīng)過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證考核。2007年，火箭系統(tǒng)發(fā)射工程試驗(yàn)使用的民兵Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)壽命達(dá)到40年。此外，根據(jù)2012年“和平衛(wèi)士” 導(dǎo)彈庫(kù)存發(fā)動(dòng)機(jī)情況來(lái)推斷，2020年發(fā)射的米諾陶IV火箭使用的固體發(fā)動(dòng)機(jī)壽命不低于27年。

3 對(duì)我國(guó)固體運(yùn)載火箭主動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的建議

在20世紀(jì)90年代，由于成本原因，我國(guó)沒(méi)有將固體發(fā)動(dòng)機(jī)納入大型運(yùn)載火箭總體方案論證的選擇范圍，但是在運(yùn)載火箭上面級(jí)上應(yīng)用了固體發(fā)動(dòng)機(jī)。未來(lái)，我國(guó)運(yùn)載火箭對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)也有使用需求。針對(duì)我國(guó)固體運(yùn)載火箭主動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展，本文提出以下3點(diǎn)建議：

1)研制大推力、高裝藥量、低成本、高可靠的固體發(fā)動(dòng)機(jī)作為固體運(yùn)載火箭的一級(jí)主動(dòng)力，同時(shí)考慮將其作為液體運(yùn)載火箭的助推器。一方面推動(dòng)固體發(fā)動(dòng)機(jī)大尺寸組件如復(fù)合材料殼體、噴管、喉襯技術(shù)及大規(guī)模推進(jìn)劑澆鑄等方面的技術(shù)發(fā)展，為開(kāi)發(fā)更大規(guī)模的固體發(fā)動(dòng)機(jī)積累經(jīng)驗(yàn)；另一方面也能為后續(xù)大型運(yùn)載火箭的構(gòu)型方案提供更多樣的選擇。

2)通過(guò)有序市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)推動(dòng)固體動(dòng)力技術(shù)創(chuàng)新，設(shè)計(jì)更精簡(jiǎn)、更利于成本控制的發(fā)動(dòng)機(jī)部組件結(jié)構(gòu)。研發(fā)更高性價(jià)比的基礎(chǔ)材料，如殼體用高性能碳纖維材料、輕質(zhì)化防熱材料等。并且在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用自動(dòng)化、智能化設(shè)備，提高生產(chǎn)效率以節(jié)約成本。

3)提前策劃開(kāi)展固體發(fā)動(dòng)機(jī)的老化監(jiān)測(cè)程序，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)材料、試樣件、部組件、縮比發(fā)動(dòng)機(jī)、整機(jī)實(shí)施老化監(jiān)測(cè)。形成完善的發(fā)動(dòng)機(jī)壽命評(píng)估體系，制定出有效發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)、整修、延壽方法，對(duì)最大限度發(fā)揮固體發(fā)動(dòng)機(jī)使用潛力有重要意義。