我国现代固体火箭推进技术的发展

我国虽然是火箭的发源地， 但直到20世纪50年代才开始现代火箭推进技术的研究。1958年开始研制双基和复合推进剂，1965年完成直径286mm固体火箭发动机的研制， 为我国固体火箭技术的发展奠定了基础。1970年4月24日， 我国第一颗人造卫星 “东方红1号” 由 “长征1号” 运载火箭从酒泉卫星发射中心发射成功。 “长征1号” 为三级运载火箭， 火箭全长29.45m， 直径2.25m， 起飞质量81.57t， 起飞推力约1120k N， 运载能力300kg， 第三级是固体火箭发动机。 “东方红1号” 的成功发射标志着我国进入太空时代。1975年11月26日， 我国用 “长征2号” 运载火箭发射了第一颗返回式人造卫星， 卫星按预定计划于29日返回地面， 回收舱中的制动固体火箭发动机完成了变轨任务。 1982年10月12日我国潜艇水下发射火箭试验成功， 标志着我国在固体导弹技术方面取得了突破性的进展。1983年2月4日， 大型固体火箭发动机地面试车成功， 标志着我国固体火箭技术已进入一个新的发展阶段。 几十年来， 我国自行研制的固体火箭发动机已形成了直径2.0m以下尺寸的覆盖， 先后成功地应用于通信卫星远地点发动机、 气象卫星远地点发动机、 返回式卫星制动变轨发动机、 “长征2C” 变轨发动机、 “长征2E” 近地点发动机， 成功率100％。“长征2F” 运载火箭上的固体火箭逃逸系统， 成功参与了我国 “神舟” 系列载人飞船的发射， 其构型虽与 “联盟号” 飞船逃逸主发动机类似， 但在发动机性能、 结构复杂性、 可靠性等方面均有提高。 2003年9月 “开拓者1号” （KT-1） 发射成功， KT-1起飞质量19.45t， 直径1.4m， 全长13.6m， 运载能力50kg， 近地轨道高度600km。 “开拓者” 系列固体运载火箭是应用于发射100kg以下的小卫星和微小卫星的新一代运载火箭， 是中国大型液体运载火箭—— “长征” 系列运载火箭的重要补充， 可以根据卫星轨道要求选择发射时间和发射地点， 机动发射， 具有操作简单、 发射速度快等特点。

我国在固体火箭发动机单项技术方面也取得了很大进展。 固体推进剂经历了从双基推进剂、 中能丁羟推进剂、 高能推进剂的发展历程。 当前广泛应用的是HTPB和HTPB＋HMX （RDX） 系列，性能已达到国际同类水平， 标准理论比冲2590～2626N s／kg， 压强指数≤0.4， 拉伸强度0.8～1.0MPa （＋20℃）， 伸长率分别为50％ ～60％ （＋20℃）、 50％ ～55％ （＋70℃） 和40％ （-40℃）。 低特征信号HTPB推进剂得到开发， 总固体含量为89％。少烟HTPB推进剂的理论比冲为2527.5N s／kg，燃烧温度3000K，密度1730kg／m3，燃速5～13mm／s，压强指数约0.4。 高能推进剂理论比冲达2658.7N s／kg （小发动机实测比冲2509N s／kg）， 工艺性能和力学性能十分优异。 为进一步提高推进剂性能， 对高能量密度材料也进行了大量研究， 如GAP、 AND和CL-20等。20世纪60年代， 装药多为星孔药型，70年代以来， 随着装药工艺的进步， 已广泛采用装填系数高、 受力状态优良的翼柱形和伞柱形药型； 开发了25Cr Mn Si A、30Cr Mn Si A、32Si Mn Mo V、45Cr Ni Mo V和D406A钢等用于制造发动机燃烧室壳体和喷管的低合金高强度钢与超高强度钢， 以及性能优良的铝合金和钛合金。 以45Cr Ni Mo V为例， 其组成和D6AC钢相当， 淬透性好、 比强度高、 韧性好， 具有可高能成型、 冷冲、 冷旋成型和焊接等良好工艺性能。 在高性能发动机壳体中已普遍采用高强度玻璃纤维／环氧复合材料， 性能和国外同类材料相近。 先进复合材料也已投入应用，如有机纤维和碳纤维／环氧复合材料， 具备2m直径全复合裙碳纤维壳体的研制能力； 壳体内绝热层材料多采用丁腈和三元乙丙橡胶 （EPDM）； 喷管喉衬材料早期多采用高强度高密度石墨 （KS-8和T704）、 钨渗铜以及石墨渗硅， 近年来碳／碳复合材料喉衬的研制和应用已取得很大进展， 多维编织碳／碳喉衬达到同类材料的国际先进水平； 喷管扩张段目前多使用布带缠绕碳／酚醛和高硅氧／酚醛， 已开发了各种高性能酚醛树脂， 如硼酚醛和钼酚醛等。开展了碳／碳扩张段以及纳米碳粉对提高酚醛树脂热解峰值温度、 降低热解收缩率、 提高热稳定性和层间剪切强度、 降低烧蚀率的研究； 推力矢量控制技术也有很大发展， 早在20世纪六七十年代， 球头式摆动喷管和液体二次喷射技术已得到成功应用， 此后又成功研制了各种类型的柔性摆动喷管和性能先进的轴承摆动喷管。

通过数十种固体火箭发动机的成功研制， 我国在发动机设计与研究、 推进剂与装药工艺技术、 发动机材料与工艺以及发动机质量控制、 性能测试和试验技术等方面已趋于成熟， 发动机地面比冲、 高空比冲分别达到了2500N s／kg和2942N s／kg， 装药质量与发动机初始质量之比达到了0.92。

在航天技术飞速发展的同时， 固体火箭在提高国家防务能力中也发挥了重要作用。 我国已建立了各种射程的地面火箭和导弹体系、 防空和海防导弹体系， 这些武器体系正在不断完善和提高。