科学漫谈 | 固体运载火箭特点和研制规律

中科宇航【科学漫谈】

固体运载火箭一直是各航天强国运载体系中不可或缺的组成部分，由于其射前无需加注推进剂且可长期整箭存储，操作简捷、响应快速、发射高效，在世界军事航天发射领域应用广泛；民用转化后，与近些年蓬勃发展的小卫星发射需求匹配度较好，在小卫星发射市场逐渐获得稳定的市场。

但是各国固体火箭的研制并非一帆风顺，分析国内外固体火箭发射失利原因，在研制初期，多是发动机问题较多，在研制后期，问题主要集中在分离系统和气动参数的识别上。只有牢牢辨识固体运载的技术特点和研制规律，才能大大提升固体火箭的发射成功率。

01、军民两用，融合发展

是固体运载火箭的发展方向

固体运载火箭一直是各航天强国运载体系中不可或缺的组成部分，射前无需加注推进剂且可长期整箭存储，操作简捷、响应快速、发射高效，在世界军事航天发射领域应用广泛。在应用领域军民两用，固体运载火箭既可以日常发射民用和商用卫星，也可用于军用和应急快速发射；在技术研发上，则与战略武器融合发展，保持战略武器技术的持续更新，提升武器装备制造的工业基础。

固体火箭发动机出厂前装药已固化在内部，且具有一定的强度和刚度，能够适应复杂的力学环境和载荷条件，极大地丰富了固体运载火箭的使用和发射模式。固体运载火箭的发射模式涵盖了陆基、海基和空基，陆基发射包括车载、野外临时脚手架、台架、简易塔架、勤务塔等各类不同层次保障要求的使用方式。

发射方式

火箭应用

车载机动发射

起跑号、长征-11、快舟-1A、捷龙-1等

简易平台海上发射

长征-11

倾斜轨道台架发射

超级斯届比

简易塔架发射

米诺陶等

临时脚手架发射

金牛座等

空中机载发射

飞马座

勤务塔发射

织女星、艾普斯龙等

表1 多样化使用模式

图1 快舟-1A车载发射

图2 长征-11海上发射

图3 超级斯届比发射方式

图4 米诺陶发射方式

02 任务需求，系统构型

是固体运载火箭的核心构架

具备入轨发射能力的固体运载火箭至少为3级构型，国外典型的米诺陶系列火箭还发展了五级和六级火箭。这主要是受固体火箭发动机特性所决定，包括比冲、质量比、工作时间和耗尽关机的工作方式等。固体火箭发动机的比冲一般在250s至290s之间，工作时间一般在140s以下，一旦发动机点火后将只能待推进剂耗尽后关机，为了获得较高效率的入轨发射能力，固体运载火箭一般采用至少4级构型。表2给出了Enhanced Epsilon与Minotaur IV火箭级数、起飞重量和运载能力的比较，可以看出采用三级构型的Enhanced Epsilon发射500kmSSO轨道的费效比太低，在增加了一个300kg装药的双组元四级后才具备了590kg/500kmSSO的运载能力。与直接采用四级构型的Minotaur IV相比性能差距较大，在起飞重量略重8%的情况下，Enhanced Epsilon与Minotaur IV火箭LEO运载能力相当，但500kmSSO运载能力则低了44%。虽然Enhanced Epsilon发动机质量比低也有一定影响，但主要差距还是由于级数决定。故固体运载火箭为获得较好的发射性能一般采用4级以上的构型。

加强型艾普斯龙（Enhanced Epsilon）

米诺陶IV Minotaur IV

级数

三级固体

三级固体+小型双组元液体四级（300kg推进剂）

固体四级，末级装药约2000kg

起飞重量

约95.4t

约95.7t

约88t

运载能力

1500kg/30度倾角250km×500km椭圆轨道

590kg/500kmSSO

1600kg/LEO，

1050kg/500kmSSO

表2 Enhanced Epsilon与Minotaur IV火箭构型比较

03、军民两用，融合发展

是固体运载火箭的发展方向

由于大推力、起飞重量轻的特点，固体火箭在大气层内飞行时的加速性较好，米诺陶IV的起飞推力约为2200kN，一级发动机装药量约45t，一级飞行段最大加速度约4.5g；织女星起飞推力2261kN，一级发动机装药量约88t，一级飞行段最大加速约4.1g。这造成了固体运载火箭飞行过程中的力、热载荷较大，结构强度、刚度和防热方案是研制过程重点考核的内容。

固体飞行过程中轴向最大过载一般比液体运载火箭要大，基本上发生在三级飞行段。织女星的三级发动机真空平均推力约为225kN，按照最大发射能力计算，最大过载不超过5.5g；米诺陶IV的三级发动机真空平均推力约为329kN，发射620kg的有效载荷时，过载达到了11g，如图8所示。

04、多级分离，系统设计

是固体火箭的重要议题

级数多带来分离环节多，力、热载荷大给分离装置设计带来难度。

固体运载火箭的一二级分离高度较低，气动干扰较大，一二级分离后需要二级箭体快速起控，否则由于气动干扰箭体姿态会快速发散；此外一级固体发动机残余的后效推力较大，需要较大的分离力才能够将两体分开。例如米诺陶IV的一二级分离高度约为25km，此时火箭飞行速度约为1.3km/s，一级残余推力预计在100kN至150kN。大多数固体运载火箭一二级均采用热分离方式，即上面级发动机先点火，之后再进行级间分离，利用上面级发动机在级间产生的燃气压力和喷流力提供分离力，同时上面级发动机可以快速达到起控所需的推力。但由此带来级间分离热环境极为恶劣。

织女星一二级分离高度在40km左右，此时气动干扰较小，故采用了冷分离的方式，分离能源由安装在级间段的6台减速火箭发动机（Retro rocket motors）产生，对6台减速火箭发动机的可靠性要求极高。

运载火箭的整流罩多采用两瓣抛罩的分离方式，分离过程需要通过装置断开两个瓣罩之间的连接、分离能源实现瓣罩分离运动。固体运载火箭整流罩受到的外压载荷和气动加热较为严重，对两个瓣罩之间的连接强度和刚度均要求较高，对分离装置和能源提出了更高的要求。同时整流罩的瓣罩呼吸运动模态和运动包络需要与有效载荷动态间隙、分离运动过程相适应，以避免因呼吸运动变形和分离过程侵占过多的可用空间。

表3对2000年后固体运载火箭6次飞行失利原因进行统计，可以看出在固体发动机级数日趋成熟后，分离环节出现问题导致飞行失利共4次，分别为2次一二级分离和2次整流罩分离异常；另外，织女星的第15次飞行异常原因尚在调查，是否由于分离引起还需要进一步确认。

火箭

年份及发次

失利原因

金牛座

2001年

第7次飞行

一二级分离导致火箭偏离轨道，二级虽然点火成功，但卫星未入轨

金牛座

2009年

第9次飞行

整流罩分离异常

金牛座

2011年

第10次飞行

整流罩分离异常

朱雀

一号

2018年

首飞

末修姿控系统工作异常

OS-M

2019年

首飞

一二级分离后，二级起控异常

织女星

2019年

第15次飞行

二级点火后发动机后封头热结构出现异常

表3 2000年后部分飞行失利原因统计

05 模式多样，适应发展

是固体运载的核心优势

飞马座、米诺陶、超级斯届比均服务于美国的快速响应空间（ORS）办公室，快速响应周期覆盖周级、天级和小时级。超级斯届比在ORS支持下，由美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratory）研制，用于验证简易、快速、高效、低廉的微小卫星发射系统。

中国的快舟-1A在2019年12月7日间隔6小时连续发射了两发火箭，创造了同一型运载火箭在同一发射场发射间隔最短纪录，充分展示了固体运载火箭快速响应发射能力。

四级及以上构型也带来发射任务适应性强的优势。某两级液体火箭和米诺陶IV运载能力随高度变化情况的趋势见图9，纵坐标为各轨道高度运载能力占200kmSSO运载能力的百分比。从图9中可以看出随着轨道高度的增加，固体运载火箭运载能力下降得较为缓慢，该特性增强了固体运载火箭对1000km以下各类型轨道小卫星发射任务的适应性。液体火箭一般瞄准某一类型轨道进行设计，近年来多次开关机能力的增强，提升了液体火箭发射各类型轨道的适应能力，但难度相对较大，成本相对较高。

图9 米诺陶IV和某两级液体火箭运载能力随高度变化趋势比较

固体运载火箭的设计载荷较高，也是其能适应各类型轨道发射的基础之一，其对于压低弹道后的大热流和大动压有较强的适应能力，可用于开展各类临近空间飞行及高超声速飞行试验，比如米诺陶IV减少一级后的轻型版，曾用于第二代“猎鹰”高超音速飞行器(Falcon Hypersonic Technology Vehicle 2，HTV-2)的发射。此外，多样化的使用模式也极大增强了固体运载火箭全天候和各类型倾角轨道发射的任务适应能力。

06、系统设计，继承创新并举
是固体火箭的前进道路

当前，固体运载火箭的乘客是小卫星，主要用户侧重于军方和政府。近些年，固体运载火箭以其“灵活快速、操作便捷、任务适应性强”的突出优势，及合适的运载能力与整箭费用，在商业小卫星发射领域也有稳定的市场订单。但相对于大型的液体火箭，单公斤发射费用则不具优势。为拓展应用领域，需要重点关注总体优化设计，提升其综合性能。总体设计过程中，除运载能力、入轨精度等重要指标的优化外，需要重点关注市场需求和定位的匹配、全流程的使用模式和保障条件、多平台和多发射场发射的拓展性、高密度发射的技术途径、快速测试发射等后期应用环节，将其纳入总体优化设计的范畴，从而确立固体运载火箭的独特综合优势。

图10 小卫星

为缩短研制周期、降低研制费用、控制研制风险，固体运载火箭大量采用了成熟技术和成熟产品，比如直接使用固体战略武器的发动机、伺服机构、发射方式、发射设备和设施、生产基础和试验设施等。但武器装备由于应用场景和任务的特殊性要求，在过程质量控制、环境适应性、单机可靠性、产品性能、定制化、小型化等方面要求非常高，导致产品、设备设施、试验成本居高不下。

相比武器系统，运载火箭的设计、生产和使用则需要兼顾民用化和市场化。为赢得市场，固体运载火箭必须兼顾成本与性能之间的平衡，在系统和产品设计、供应链体系、过程控制方面开展大量创新性工作。在系统和产品设计方面，可以通过系统级冗余设计降低对元器件等级和单机可靠性的要求，从而实现工业级元器件和设备的航天化应用；通过适应性设计飞行剖面、增加环境控制手段，为箭上和地面设备提供良好的环境，降低研制难度；引入新技术、新材料、新工艺，如增材制造等，降低生产费用，缩短产品配套周期。在供应链体系方面，建立社会化、开放式的供应链和基于市场化配套的质量管控模式；在过程控制方面，充分利用信息化和数字化手段，建设脉动式总装测试集成生产线，提高批产效率，降低批次性制造成本。

07、结语

对于运载火箭发射，除了尊重科学，迎难而上以外，有时候，特别是对于商业发射的探索，不能操之过急，得一步一个脚印地踏实前行。

本文转载自“中科宇航”，原标题《科学漫谈 | 固体运载火箭特点和研制规律》

为分享前沿资讯及有价值的观点，卫星与网络微信公众号转载此文，并经过编辑。

支持保护知识产权，转载请注明原出处及作者。

如文中图片或文字侵犯了您的权益，请联系我们。

编辑：林紫、娜娜

主笔记者：李刚、张雪松、乐瑜、朝天椒、黑法丝、刀子

策划部：孙国锋、杨艳

视觉总监：董宁

专业摄影：冯小京、宋炜

设计部：顾锰、潘希峎、杨小明

行政部：张萌、姜河

业务部：记军、王锦熙、瑾怡

原创文章转载授权、转载文章侵权、媒体合作等事宜，敬请加微信：Juice0212

投稿请发邮箱tougao@yinhexi.la

展览展厅设计、企业VI/CI及室内设计、企业文化建设及品牌推广；企业口碑传播及整体营销传播等，请加微信：a13810322995

· 呼风唤雨各分部：

成都分部负责人：沈淮

长沙分部负责人：宾鸿浦

西安分部负责人：郭朝晖

青岛分部负责人：江伟

· 呼风唤雨总部负责人：农燕

· 联盟负责人（惠新东桥分部）： 肖均

· 大会负责人： 周雷

· 投融资及战略层面合作： 刘语霏

·本平台签约设计公司：一画开天（北京）文化创意设计有限公司

· 航天加（深圳）股权投资基金管理负责人： 杨艳

微信公众号太多不好找到我们？

这个问题其实很容易解决，

置顶，或星标公众号“卫星与网络”