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一、前　言

　　中國的現代固體火箭推進技術研究起始于上個世紀50年代中期。開始階段進行了復合固體推進劑的探索性研究，包括原材料、配方和工藝研究，成功地合成了液態(tài)聚硫橡膠，開發(fā)了真空澆注工藝，并進行了Φ65mm和Φ108mm小發(fā)動機地面試車。

　　1962年，中國航天科技集團公司第四研究院成立后，固體發(fā)動機研究工作全面開展。第四研究院是一家大型國有企業(yè)，一直是中國最主要的固體火箭發(fā)動機研究開發(fā)機構，下設各專業(yè)研究所和工廠，具有完整的研究、設計、生產和試驗能力。迄今為止中國已飛行的航天固體發(fā)動機絕大部分由該院研制，交付飛行產品的成功率為100％，主要用于“長征”系列運載火箭的上面級和應用衛(wèi)星的變軌系統(tǒng)。此外，四院和中國國防科技大學等單位也開發(fā)了一些探空火箭發(fā)動機。同時，中國固體火箭推進基本技術也取得了全面發(fā)展。本文根據已發(fā)表的公開文獻，綜述了中國航天固體火箭技術的發(fā)展。

　　二、探空火箭發(fā)動機

　　1963年，四院開始研制試驗探空火箭用發(fā)動機FG－01A。該發(fā)動機直徑286mm，長1780mm，總質量155kg，質量比0.77，最大推力67kN，平均推力45.1kN，燃燒室最大壓強7.7MPa，平均工作壓強6.6MPa，地面比沖2105N·s/kg，工作時間7.5s。燃燒室用1.8mm厚的30CrMnSiA鋼板卷焊而成。推進劑為貼壁澆注型含鋁聚硫橡膠，內孔六角星形藥型。噴管采用滲硅高強度石墨喉襯和石棉/酚醛背襯，擴張段采用Al2O3絕熱涂層。研制過程中解決了藥柱裂紋和不穩(wěn)定燃燒等技術問題，進行了28臺地面試驗，從1965年起成功地進行了6次飛行試驗。該發(fā)動機的研制是中國復合推進劑固體發(fā)動機研制工作的一次成功嘗試。

　　此后，國防科技大學等單位還分別研制了“和平”2、“和平”6和“織女”3等探空火箭的固體火箭發(fā)動機。它們的直徑為161.5～255mm。特別是“織女”3兩級式火箭箭長4.87m，箭重285kg，，彈道頂點147km，性能有了較大提高。至90年代初這些固體探空火箭共進行了100多次發(fā)射。2000年10月20日，由第四研究院研制的“天鷹”3微重力火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射�！疤禚棥�3是一種性能先進的探空火箭，最大直徑450mm，總長6.0m，總重1100kg（其中發(fā)動機重800kg，有效載荷50kg），最大飛行高度220km，可提供微重力時間約360s，微重力水平10－4g。下一步改進計劃將使該火箭能攜帶300kg有效載荷，提供380s的微重力時間；或攜帶100kg有效載荷，提供510s的微重力時間。

　　三、運載火箭發(fā)動機

　　中國運載火箭典型的上面級固體火箭發(fā)動機共4種，即FG－02、FG－46、FG－47和CPKM。表1列出了這4種發(fā)動機的性能。

　　1967年，中國開始研制第一種人造衛(wèi)星運載火箭“長征”1號，其第三級采用固體發(fā)動機，代號FG－02。該發(fā)動機燃燒室殼體采用32SiMnMoV超高強度鋼，筒段壁厚2.5mm，驗收壓強8.34MPa。它采用聚硫推進劑，裝藥量1805kg，燃速6.07mm/s，密度1.742g/cm3，壓強指數（n）0.3435。藥柱采用尾部帶錐的圓管形藥型。噴管喉襯KS－8石墨，出口半角18°。研制期間成功地解決了超高強度鋼的制作工藝、高空點火、發(fā)動機自旋對推進劑燃速及內彈道性能的影響、脫粘和燃燒室中Al2O3沉積等技術問題，共成功進行了19次地面試車（包括旋轉試驗和高空模擬試驗）以及振動、沖擊和運輸等一系列環(huán)境試驗。1970年4月24日該發(fā)動機參與中國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅”1號的發(fā)射，獲得成功。隨后，該發(fā)動機還用來發(fā)射了中國第一顆科學實驗衛(wèi)星“實踐”1號。

　　FG－46是“長征”2號E運載火箭的近地點發(fā)動機，又稱EPKM發(fā)動機，可用來將3t有效載荷從近圓形軌道送入地球同步轉移軌道，是中國目前最大的航天用固體發(fā)動機，直徑1.7m，裝藥量5444kg。FG－46和后面介紹的FG－47及FG－23A均由中國河西公司研制。該公司在1999年8月以前一直是四院的一個分部。FG－46發(fā)動機(圖1)燃燒室為玻璃鋼殼體，外壁有防靜電層。它采用HTPB推進劑，密度1.80g/cm3，壓強指數0.4，抗拉強度≥0.9MPa，伸長率≥40％。藥柱為前翼柱藥型，12個翼槽均布，槽寬50mm，采用前后串裝的雙燃速推進劑，體積裝填分數0.9。噴管使用整體氈碳/碳喉襯，沖質比1.1×105N·s/kg。研制中一些技術性能有突破，包括內彈道性能調整技術、動平衡性能、玻璃鋼殼體性能與精度、總沖精度、推力線位置精度和質心位置精度等。在頭兩次旋轉點火試驗時，曾出現前封頭中心頂蓋穿火現象，導致試驗失敗。故障分析認為是由旋轉狀態(tài)下絕熱層燒蝕增大引起。經過改進后的4發(fā)地面試驗均告成功。1995年11月25日和12月25日該發(fā)動機分別將“亞星”2和“回聲星”1衛(wèi)星送入預定軌道。

　　FG－47是為“長征”2號丙運載火箭發(fā)射“銥”星而研制的，用來將“銥”星從橢圓停泊軌道轉移到630km高度的圓形運行軌道。這是一種球形發(fā)動機，裝藥量160kg。燃燒室為30CrMnSiA鋼，藥柱采用410－15A HTPB推進劑，燃速6.17mm/s，密度1.8g/cm3，壓強指數<0.4，室溫抗拉強度≥0.8MPa，伸長率≥40％，傘柱球形藥型，體積裝填分數0.91。噴管喉襯為碳/碳材料，出口擴張半角15°。該發(fā)動機先后進行11次地面試車，包括高模試車和六分力試車，并進行了溫度循環(huán)、低頻與高頻沖擊、公路運輸和振動等環(huán)境試驗。1997年9月進行首次飛行試驗，共進行7次發(fā)射，將12顆美國摩托羅拉公司的“銥”星送入軌道。

　　CPKM是研制中的先進發(fā)動機，用作“長征”2號丙運載火箭的近地點發(fā)動機，用于發(fā)射由中科院研制的雙星。它的研制目標是高可靠性和短研制周期，采用高體積分數的前翼柱藥型。燃燒室殼體將選用芳綸復合材料，EPDM內絕熱層。噴管采用鈦合金外殼、碳/碳喉襯和碳布－高硅氧布復合纏繞擴張段。

    四、航天器用固體發(fā)動機

　　1975年，四院開始研制中國第一顆通信衛(wèi)星“東方紅”2號用的遠地點發(fā)動機FG－15，隨后又研制了FG－15B、FG－36和FG－23A等航天器用固體發(fā)動機，為中國衛(wèi)星提供了可靠的星上動力裝置。表2列出了這些發(fā)動機的主要性能。

　　FG－15發(fā)動機（圖2）燃燒室殼體采用玻璃鋼材料，推進劑為HTPB，裝藥量440kg，燃速7.8mm/s，壓強指數0.4，密度 >1.76g/cm3，理論真空比沖3100N·s/kg，翼柱形藥柱，長668mm。噴管采用雙圓弧擴張段型面和碳/碳喉襯，出口擴張半角12.5°。點火裝置選用適合于高空點火的硼－硝酸鉀點火藥，微電機式安全發(fā)火機構。研制期間解決了絕熱層粘結不良和玻璃鋼殼體分層等問題，還開發(fā)了試驗用高精度試車架和高模試驗技術，大大提高了測試精度。該發(fā)動機經過了振動、沖擊、離心過載、真空檢漏和鐵路/公路運輸等各種環(huán)境試驗，共進行37次地面點火試驗，于1984年開始用于“東方紅”2號衛(wèi)星的發(fā)射，共發(fā)射3次。

　　隨后又開發(fā)了改型FG－15B，以適應中國實用同步通信衛(wèi)星的發(fā)射要求。它的某些技術特征和FG－15基本相同，主要改進是加長了燃燒室長度，提高了裝藥量，各項性能參數也有所提高。該發(fā)動機4次參加“東方紅”2號甲衛(wèi)星的發(fā)射，全部成功，曾榮獲國家頒發(fā)的產品質量金質獎。

　　FG－36是中國地球同步氣象衛(wèi)星“風云”2號的遠地點發(fā)動機，1987年開始研制，外形尺寸和FG－15B有相似之處，并采用同一種推進劑，但藥形、噴管型面和結構有一系列改進，使質量比從0.88提高到0.90，體積裝填分數從0.88提高到0.92。噴管潛入燃燒室20％，收斂段和喉襯為一體式碳/碳材料，擴張段采用三次拋物線型面，出口半角17°，噴管效率達到0.94。該發(fā)動機連續(xù)11次地面試驗成功，并通過一系列環(huán)境試驗（包括輻照、雷擊、靜電和射頻等試驗），于1997年6月成功地用于“風云”2號衛(wèi)星的發(fā)射，總沖偏差僅0.7％。圖3是FG－36發(fā)動機簡圖。

　　FG－23A是一種球型發(fā)動機，用于中國返回式衛(wèi)星返回地面過程中的減速制動。燃燒室球形殼體外徑650mm，長666mm，前、后半球采用25CrMnSiA鋼，壁厚2mm，殼體驗收壓強8.5MPa。推進劑燃速7.5mm/s，密度1.80g/cm3，理論真空比沖3035N·s/kg，玻璃化溫度－55℃。藥柱為燈泡傘翼柱藥型，體積裝填分數0.80。噴管喉襯為T704石墨材料，潛入比0.396。點火器為后部環(huán)形殼體。該發(fā)動機和其它制動發(fā)動機共計連續(xù)十多次成功地完成了衛(wèi)星返回任務。

    五、固體推進單項技術的發(fā)展

　　中國固體推進技術的發(fā)展途徑和世界各國大致相同。經過40年的發(fā)展和數十種固體發(fā)動機的成功研制，包括研究、設計、制造和試驗在內的全過程在技術上已趨于成熟，主要包括發(fā)動機設計與研究、推進劑及裝藥工藝技術、發(fā)動機材料和工藝以及發(fā)動機質量控制、性能測試和試驗技術等。發(fā)動機地面比沖達到2500N·s/kg，高空比沖2942N·s/kg，質量比0.92。

　　藥柱設計在20世紀60年代廣泛采用星形裝藥。70年代以來，隨著裝藥工藝的進步，已廣泛采用裝填系數高、受力優(yōu)良的翼柱形和傘柱形藥型。內彈道及內流場研究逐步深入。由西北工業(yè)大學和四院合建的燃燒、流動和熱結構國家級重點實驗室，成立以來已完成80余項研究課題，開展了從燃燒室到噴管出口的二維和三維兩相流動計算，尤其是對不同藥型、噴管潛入區(qū)域和噴管擴張段的最佳型面設計與絕熱材料燒蝕的耦合計算；含鋁推進劑在燃燒室中燃燒形成的凝聚相和輸運的實驗觀察和分析；火焰在裝藥翼槽、裂紋和脫粘縫隙中的傳播的實驗研究和理論分析；固體發(fā)動機在旋轉過載和飛行中軸向、橫向過載作用下推進劑燃速、絕熱層燒蝕和內彈道性能所受的影響等研究課題，對提高固體發(fā)動機設計水平具有重要指導意義。固體發(fā)動機推力向量控制技術也有很大發(fā)展。早在20世紀60～70年代，球頭式擺動噴管和液體二次噴射技術已得到成功應用，爾后又成功研制了各種類型的先進柔性擺動噴管，并研制了性能先進的珠承擺動噴管。

　　中國開發(fā)了一系列用于發(fā)動機燃燒室殼體和噴管的低合金高強度鋼和超高強度鋼，典型品種有25CrMnSiA、30CrMnSiA、32SiMnMoV、45CrNiMoV和D406A鋼。以45CrNiMoV為例，其組成和D6AC鋼相當，淬透性好，比強度高，韌性好，抗應力腐蝕性好，應用可靠，具有可高能成型、冷沖、冷旋成型和焊接等良好工藝性能（其力學性能見表3）。此外，還開發(fā)了各種性能優(yōu)良的鋁合金和鈦合金。在高性能發(fā)動機殼體中已普遍采用高強玻璃纖維/環(huán)氧復合材料，性能和國外同類材料相近。先進復合材料也投入應用，如有機纖維和碳纖維/環(huán)氧復合材料。殼體內絕熱層材料多采用丁腈和三元乙丙橡膠（EPDM）。表4列出了發(fā)動機用的丁腈絕熱材料性能。

　　噴管喉襯材料早期多采用高強高密石墨（KS－8和T704）、鎢滲銅及石墨滲硅，近年來已廣泛使用碳/碳材料。多維編織碳/碳喉襯密度已達到1.9g/cm3。四院還開發(fā)了內層為碳/碳、外層為碳/Al2O3的梯度復合材料，有希望用以代替目前使用的碳/碳＋背壁絕熱層疊層結構，由此可大幅度降低成本，減輕質量，提高可靠性。噴管擴張段目前多使用布帶纏繞碳/酚醛和高硅氧/酚醛，已開發(fā)了各種高性能酚醛樹脂，如硼酚醛和鉬酚醛等。華東理工大學研制的高碳酚醛在主鏈或側鏈上引入芳苯基、芐基或芳烷基，其炭產率、炭層強度和燒蝕性能十分優(yōu)異。四院還在添加納米碳粉方面作了研究。初步結果表明，這對提高酚醛樹脂熱解峰值溫度、降低熱解收縮率、提高熱穩(wěn)定性和層間剪切強度以及降低燒蝕率均有效果。

　　中國復合固體推進劑發(fā)展也經歷了PS、PU、PBAA、CTPB和HTPB等發(fā)展階段，當前廣泛應用的是HTPB和HTPB＋HMX（RDX）系列，性能已達國際同類水平，標準理論比沖2590～2626N·s/kg，壓強指數≤0.4，＋20℃下拉伸強度σm=0.8～1.0MPa，伸長率εm=50％～60％；＋70℃下εm=50％～55％；－40℃下εm=40％。中國還成功地建設了復合固體推進劑生產線，自行設計了從1L到2400L的一系列各種規(guī)格的混合機（圖4為2000L立式混合機）。

　　同時，低特征信號HTPB推進劑已得到開發(fā)�？偣腆w含量89％的少煙HTPB配方（5％Al，20％RDX）理論比沖2527.5N·s/kg，燃燒溫度3000K，密度1.73g/cm3，燃速5～13mm/s，壓強指數約0.4，和常規(guī)HTPB配方相比，羽煙中Al2O3降低72％，HCl降低24％，H2O降低28％。與此同時，中國的雙基、復合改性雙基和XLDB推進劑也得到重大發(fā)展。高能推進劑研究取得重要進展，理論比沖2658.7N·s/kg，小發(fā)動機實測比沖2509N·s/kg，比沖效率0.944，工藝性能和力學性能十分優(yōu)異。為進一步提高推進劑性能，中國對高能量密度材料也進行了大量研究，如GAP，AND和CL－20等。

　　在新世紀中，中國將不斷推進固體火箭發(fā)動機技術進步，繼續(xù)為各種航天任務提供高性能、高可靠性和低成本的推進系統(tǒng)。當前小衛(wèi)星的發(fā)射迫切需要提供相應的小型運載火箭的固體發(fā)動機，特別是有效載荷500kg、軌道高度500～1000km的運載火箭用固體發(fā)動機。中國還將探索進一步提高能量和發(fā)動機其它性能的途徑。與此同時，中國也有意擴大相關領域的國際交流和合作，積極提供各種形式的技術服務，為人類航天事業(yè)做出更大貢獻。

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本文編號：176152