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固体火箭发动机

固体火箭发动机

固体火箭发动机（固体 rocket motor 简称：SRM）是指使用固体的化学火箭发动机，又称固体推进剂火箭发动机。固体火箭发动机由药柱、燃烧室、喷管和点火装置等部件组成。按照燃烧室的结构形式，固体火箭发动机分为整体式固体发动机和分段式固体发动机等类型。

固体火箭发动机最早可以追溯到1947年，加州理工学院古根海姆航空实验室团队试飞了一枚名为“雷鸟”的试验火箭，使用的就是聚硫橡胶基。2021年10月19日，中国自主研制、推力达500吨的整体式固体火箭发动机在陕西西安试车成功，发动机由中国航天科技集团第四研究院研制，直径3.5米，装药量150吨，推力达500吨。

固体火箭发动机与相比较，具有结构简单，密度大，推进剂可以储存在燃烧室中常备待用和操纵方便可靠等优点，固体火箭发动机主要用作，导弹和探空火箭的发动机，以及航天器发射和飞机起飞的助推发动机。

历史沿革

中国

1956年1月20日，彭德怀在中央军委会议上指出：“我们要解决火箭防空、海上发射火箭武器的问题。”随后，中央军委多次召开会议研究关于发展航空火箭技术与制造导弹的问题。1960年仿制的第一枚近程火箭发射成功，拉开了中国研制运载火箭的序幕。

1964年6月29日，中国自主研制的第一枚中近程运载火箭发射成功。同年10月第一颗原子弹爆炸成功后，解决远程运载工具已成为紧迫任务。

1970年3月26日，首枚长征一号运载火箭出厂，运往酒泉卫星发射中心。4月14日，周恩来总理、李先念副总理等在人民大会堂听取刚从酒泉卫星发射中心返回北京的参试人员代表关于长征一号在技术阵地测试情况的汇报。周总理鼓励参试人员要谦虚谨慎，过细工作，搞好协作，并预祝发射一举成功。1971年3月3日，长征一号运载火箭又成功地发射了科学探测与技术试验卫星-实践一号卫星。

1980年5月18日，中国首次向南太平洋预定海域发射远程运载火箭，精确地沿着预定轨道飞完全程，最后在预定区域准确入海，发射获得圆满成功。这是继原子弹、氢弹、导弹核弹研制和人造卫星发射成功后，中国在尖端科学技术领域取得的又一重大成就。

1990年7月16日，中国新研制的长征二号系列运载火箭捆绑式运载火箭第一次试验性发射获得成功。这次发射标志着中国的运载火箭技术和发射能力有了新的发展和提高。

2009年，中国航天科技集团四院在集团公司总部及总体单位支持下，成功研制了当时国内推力最大的整体式固体火箭发动机，直径2米、装药量35吨、推力为120吨。其成功研制，直接推动了中国长征系列火箭中首型全固体火箭长征十一号的立项研制，成为航天固体动力向宇航运载领域拓展的重要里程碑。

2014年，中国国务院出台了《关于创新重点领域投融资机制鼓励社会投资的指导意见》，首次提出鼓励社会资本参与民用空间基础设施建设，空间领域正式对全社会开放，随后各类商业航天公司相继成立，中国商业航天进入了快速发展轨道。

2018年10月，蓝箭空间科技有限公司研制的首枚民营运载火箭朱雀一号遥一发射升空，升空402s后因末修姿控动力系统工作异常，未能进入预定轨道，发射任务失败。

2019年7月，星际荣耀空间科技有限公司研制的双曲线一号遥一运载火箭成功发射，将卫星及有效载荷送入300km轨道，实现了中国民营商业运载火箭入轨零的突破。

2020年12月30日，中国自主研制的民用航天首台3.2米3分段大型在完成首次地面试车，这是我国目前为止推力最大的。

2021年10月19日，中国自主研制、推力达500吨的在陕西西安试车成功，发动机由中国航天科技集团第四研究院研制，直径3.5米，装药量150吨，推力达500吨。

国际

1942年，古根海姆航空实验室的查尔斯·巴特利和在的基础上发明了固化。

1947年，加州理工大学古根海姆航空实验室团队试飞了一枚名为“雷鸟”的试验火箭。这枚试验火箭使用的就是聚硫橡胶基，以高蚕酸和高的混合物作为。这个发动机经过改进后，为空射提供动力。由于第二次世界大战的需要，美国建立了生产炸弹的矢车菊军械库(BOP)。

1952年，美国空军为了开发生产喷气辅助起飞(JATO)火箭的推进剂，BOP 被启用更名为第66号空军工厂，1955 年，新研发的固体推进剂使M15A1-JATO在16s的燃烧时间内平均推力达到4.5kN。

1957年10月4日，成功发射了斯普特尼克工。在1959年，火箭技术公司测试了的第一级发动机。

1959年，美国首次提出的轴向分段药柱设计的发展并于两年后开始对不同直径的分段助推器进行了测试，到了1964年，就已经测试到了直径为3.96m的分段助推器，之后又在1965年，空军主力的土卫Ⅲ-C火箭成功首飞。

1965-1967年间，美国史上最大的3台发动机建造完成并进行了点火：直径为6.6 m的航空喷气公司的发动机，被用来代替V登月火箭的第一级。制造了3台直径为6.6 m的发动机，而每台的长度都是48.88 m全尺寸模型助推器的一半。每台发动机都装有762000kg的。

20世纪60年代末期到70年代中期期间，美国与苏联进行导弹竞赛，导致复合推进剂技术快速目稳定地发展。常见的聚氨酷和丙烯酸黏合剂基推进剂的颗粒浓度是有限的，约为85%。端发基聚丁二烯聚合物的出现使推进剂中的颗粒浓度增加到88%。随后，端经基聚丁二婚(HTPBF) 黏合剂使颗粒浓度可以达到 90%以上，这些都促进了远程导弹的出现。

20世纪70年代晚期到80年代中期，研究的重点是空射战术火箭发动机。在越南战争期间，发动机尾部的浓烟使截机将自己所在位置暴露给地面或空中的敌人。这促使了少烟推进剂的研发。这种推进剂采用端轻基聚丁二烯(HTPB)和高氯酸钱《AP)，产物中无凝聚相颗粒排出。

1991年，美国设计了第四代导弹发动机AIM-120，其先进中距空空导弹(AMRAAM)采用少烟固体火箭发动机，AIM-120导弹至今已服役20多年期间经过持续改进产生了4种型号。

2003年，美国设计的AIM-9X导弹是“响尾蛇”系列的最新型号，属于第四代近距空空导弹。其沿用AIM-9M导弹的Mk36 Mod11少烟固体火箭发动机，但是在后端安装了由美国阿连特技术系统公司研制的推力矢量控制装置。

2014年，在俄罗斯的帮助下，印度成功发射了地球同步卫星运载火箭(GSLV)Mk-3，(GSLV)Mk-3的运载能力比极地轨道卫星运载火箭强，其捆绑助推器S200性能参数位于世界前列。

2022年12月15日上午，朝鲜国防科学院下属某研究所在成功进行该国首个推力为140吨的大功率固体燃料发动机地上点火试验。朝鲜最高领导人金正恩现场指导试验。朝方表示，此次试验旨在验证采用推力矢量控制技术的大功率固体燃料发动机的可靠性和安全性。金正恩评价道，此次试验又向落实八大提出的五年规划领域五大核心课题前进一步，期待另一款新型战略武器在短期内问世。

基本原理

固体火箭发动机属于化学火箭发动机，用固态物质（能源和工质）作为推进剂。固体推进剂点燃后在燃烧室中燃烧，产生高温高压的燃气，即把化学能转化为热能；燃气经喷管膨胀加速，热能转化为动能，以极高的速度从喷管排出从而产生推力推动导弹向前飞行。

固体火箭发动机推进系统属于喷气推进系统范畴。是应用化学推进剂的化学能，燃烧经过剧烈的化学反应过程生产高温（ 2500～4000K）、高压（几个到几十个Mpa）的燃烧产物，将推进剂所蕴藏的部分化学能转换为燃烧产物的热能，燃烧产物从燃烧室流入喷管，通过这个特殊形状的管道，燃气产物膨胀加速，使其流速由亚音速转变为超音速，并从喷管中高速喷出，将燃烧产物的热能转换为气流的动能。高速气流从喷管中喷出，于是就产生直接反作用力-推力，推动飞行器运动，并转换为飞行器的动能。

主要结构

固体火箭发动机主要由固体火箭推进剂装药、燃烧室、喷管和点火装置等部件组成，其中固体推进剂配方及成型工艺、喷管设计及采用材料与制造工艺、壳体材料及制造工艺是最为关键的环节，直接影响固体发动机的性能。固体推进剂配方各种组分的混合物可以用压伸成型工艺预制成药柱再装填到壳体内，也可以直接在壳体内进行贴壁浇铸。壳体直接用作燃烧室。喷管用于超音速排出燃气，产生推力；喷管组件还要有推力矢量控制（TVC）系统来控制导弹的飞行姿势。点火装置在点火指令控制下解除安全保险并点燃发发射药产生高温高压火焰用于点燃壳体内的推进剂。

推进剂装药

包含燃烧剂、氧化剂和其他组分是固体火箭发动机的能源部分。装药必须有一定的几何形状和尺寸，其燃烧面的变化必须符合一定的规律，才能实现预期的推力变化要求。推力室是火箭发动机的关键部件，它将储存在中的化学能转换为产生推力所需的动能。推力室包括喷注器、燃烧室和喷管。从理论上讲，燃料和被集中到燃烧室内，产生高温高压气体。之后，这些燃气在喷管内膨胀，将压力和温度转变为速度。燃气流动到喉部，产生热壅塞，达到音速。之后继续在喷管扩张，以超声速膨胀。最终，内能转换为动能，产生动量推力。推力室由喷注器、燃烧室和喷管构成。图2显示了有积分喷管的推力室内的关键工作过程。通过喷注器进人并经历一系列复杂的过程，比如雾化、蒸发、混合、化学反应及膨胀。燃烧室包含高压、高温燃气，并必须维持稳定燃烧。然后，这些燃气通过喷管膨胀。扩张喷管开始于喉部平面的尾部，是燃烧室结构中的典型积分环节。在很多情况下，使用单独延伸的喷管进一步使燃气膨胀并增加推力。

燃烧室

是贮存装药的容器，也是装药燃烧的工作室。因此不仅要有一定的容积，而且还需具有对高温、高压气体的承载能力。燃烧室材料大多采用高强度的金属材料，也有采用玻璃钢缠绕加树脂成型的玻璃钢结构，可以大幅减轻燃烧室壳体的重量。燃烧室材料选择高强度，比如英高625和英高镍7l8被广泛应用。对于中等强度需求，耐腐蚀是可取的，因为它有低成本和易于焊接的特性。个别也应用一些特殊材料。比如，由于独特的高导电性、中等强度以及延展性，周密设计的铜合金常被用于燃烧室内热通道壁面。此外，高温合金，比如记和铢通常应用在薄膜冷却推进器中。各个部分燃烧室都采用焊接和焊连接，主要部件通过螺栓固定在一起，螺栓提供了灵活性，但是会增加重量负担。

点火装置

用于点燃装药的装置。一般采用电点火，由电发火管和点火剂组成。对液体和固液混合火箭来说，进入燃烧室都必须立刻点火。液体进入燃烧室后点火延迟毫秒级时间，都会导致过量液体进入，点燃后产生的高温气体会超过燃烧室设计最大压力，从而引起灾难性后果。这叫做“硬启动”。气体推进剂不会出现硬启动，因为喷注口总面积小于喷管口面积，点火前即使燃烧室充满气体也不会形成高压。固体推进剂通常使用一次性火工设备点燃。点火后，燃烧室可以维持燃烧，点火器不再需要。发动机停机几秒钟后，燃烧室可以自动重点火。然而一旦燃烧室冷却，许多发动机都不能再点火。

喷管

通过喷喉面积来控制燃气的流量，以达到控制燃烧室内燃气压强的目的。其次，燃气通过喷管进行膨胀加速，形成超音速气流高速向后喷出，产生反作用推力。为了使亚音速流能加速为超音速流，都采用截面形状先收敛后扩张的拉瓦尔喷管。由于喷管始终承受着高温、高压、高速气流的冲刷，尤其在喉部情况更为严重，因此需要在喉部采用耐高温耐冲刷的材料作喉衬，并在内表面采取相应的热防护措施。

性能参数

推力

是衡量火箭发动机工作能力大小的一个参数。发动机的推力随着火箭的上升、周围大气压力的下降而不断增大，因此表示同一台发动机推力有三种方式，即海平面推力（大气压力为101千帕、温度为15℃时的推力）、地面推力（在地面试车台上测到的推力或按地面所处的环境压力和温度换算得到的推力）和真空推力（在大气压力为0的条件下的推力）。

比冲

是指单位流量产生的推力。比冲高，既表示推进剂能量高，又表示发动机效率高，它是两者结合的结果。因此，比冲的高低是衡量发动机性能的一个重要参数。同推力的表示方式一样，比冲亦有海平面比冲、地面比冲和真空比冲之分。

混合比

是指发动机质量流量与燃烧剂质量流量之比。混合比是通过发动机试车实际测量得到的，而混合比偏差则是通过对状态一样的发动机多次性能试车获得的统计数据进行计算分析得到的。混合比偏差大，运载火箭所装的安全余量要留得多，这将直接影响运载火箭的运载能力。因此，减小发动机的混合比偏差也是提高运载火箭运载能力的有效途径之一。

主要分类

整体式固体火箭发动机

整体式固体火箭发动机是一种特殊的火箭发动机，其特点是燃烧室和推进剂被制成一体，从而实现了更高的结构强度和刚度。这种发动机通常采用高性能纤维复合材料作为壳体，具有重量轻、结构强度高的优点。整体式固体火箭发动机的推进剂被整体装填在燃烧室中，可以实现更高的装填密度和燃烧效率。

20世纪50年代美国把导弹技术向航天领域转化，相继出现了飞马座、金牛座、雅典娜、米诺陶等运载火箭。飞马座、雅典娜都采用三级直径相同的固体火箭发动机。

分段式固体火箭发动机

分段式固体火箭发动机是将燃烧室和推进剂分段制造，各段之间通过密封连接结构组成整体。这种发动机通常采用高性能纤维复合材料作为壳体，具有重量轻、结构强度高的优点。同时，分段式固体火箭发动机的推进剂被分段装填在燃烧室中。

20世纪60年代美国形成了大力神、宁宙神、航天飞机和战神等系列的分段式固体火箭发动机，大力神-4A使用7段式SRM助推器。大力神-4B采用3段式SRMU助推器，从1959年至2005年退役，共发射368次，航天飞机空问运输系统在1972年提出，采用4段式RSRM助推，由于预算严重超支，航天飞机在2011年退出历史舞台，期间共执行135次任务。为了进行载人深空探测，2011年美国提出太空发射系统(SLS)计划，其采用固体5段式助推，南RSRM改进演变，SLS可以超重型运载，技术更为先进。

双脉冲固体火箭发动机

最早的双脉冲固体火箭发动机出现在20世纪90年代，德国Bayern-Chemie/Protac(BC/P)公司采用可移动分离装置实现多脉冲，其原理类似阀门，且内含点火器，脉冲药柱1燃烧时。可移动分离装置关闭，脉冲药柱2燃烧时，可移动分离装置开启。

基于易碎隔板设计理念，1994年BC/P公司研制了双脉冲固体火箭发动机，2个燃烧室通过易碎隔板分离，经过不断改进，最终成功实现静态点火。

应用领域

火箭

在近程和中程的火箭中，一般采用一级或两级固体火箭发动机。

军事领域

对于大型战略洲际弹道导弹都采用多级固体火箭发动机作为动力推进装置。

航天技术

固体火箭推进技术已被广泛用于各种航天飞行器和运载工具。还可用于反卫星武器的动力装置，由于它能在外层空间环境中长期贮存，并可随时待命发射，因此在未来的卫星—太空防御系统中会得到进一步的发展和应用。

其他推进装置

在飞机起飞时可采用固体火箭发动机作为起飞助推动力装置，用来缩短飞机的起飞跑道，或增加起飞重量。

经济建设

固体火箭推进技术在民用领域也得到多方面的应用。如探空气象火箭、防冰雹火箭，另外还可用于快速埋置锚锭、系缚船舶、水下穿缆、两山之间架设通讯电线、消防灭火等。

发展趋势

长寿命

由于长寿命、免维修固体发动机巨大的军事和经济效益，世界各军事强国在该领域投入的财力和人力在不断增加，并在某些单项技术上有所突破。例如，为了实现民兵Ⅱ导弹发动机的延寿计划，美国已研制出贮存寿命超过17年的衬层材料。目前，制约发动机整体贮存寿命的瓶颈因素是点火器和在复杂贮存环境下的密封圈寿命，随着这些因素的解决，固体发动机的免维修贮存寿命将会进一步增加。