固液混合运载火箭：各具特色 殊途同归

文/陈海鹏 王小锭

纵观世界航天强国运载火箭技术的发展历程，固体火箭发动机一直是重要的动力系统之一，尤其是在应急发射运载火箭和大型助推器领域，具有独特的技术优势。

运载火箭捆绑助推器，主要目的是提高起飞推力，增强运载能力，具体又分为捆绑固体助推器和液体助推器。一般来说，液体助推器具有比冲高、结构效率高、可多次点火等优点；固体助推器的优点是起飞推力大、可靠性强、结构简单。各国结合本国工业特点和火箭发动机技术实力，选取了不同的捆绑技术路线，而运载火箭液体芯级捆绑固体助推器方案最为典型，技术细节值得细品。

▲ 印度PSLV火箭捆绑6个助推器

▲ 美国航天飞机发射瞬间

▲ 大力神3E火箭由大力神3C火箭更换上面级而成

▲ 美国大力神4B火箭

美国航天飞机

介绍国外运载火箭之前，不妨先看看特殊的“固液混合”航天运载工具——美国航天飞机。

航天飞机是世界上第一种可重复使用的航天运载器，由轨道飞行器、外挂贮箱和固体助推器等组成。从1981年到2011年，航天飞机共计轨道飞行135次，单次近地轨道上行运载能力29.5吨。不过，外界往往关注航天飞机轨道飞行器，却忽视了2个大型固体助推器，其长度45.46米，直径3.7米，平均推进剂质量503.6吨，单个海平面平均推力达1289.92吨。

航天飞机的助推器并联捆绑连接在外贮箱上，芯级与轨道飞行器也采用了并联构型，极大缩短了总高度，又降低了结构难度，改善了总体刚度。

鲜为人知的是，航天飞机的运载能力一度与研制初期指标相差很大，特意采取了多项措施进行减重，包括取消外挂贮箱白漆、降低结构设计安全系数、采用锂铝合金材料、氢箱和箱间段结构优化设计等；同时，固体助推器发动机应用了提高推力室室压、减小喷口喉部直径及增加出口面积等措施，增大真空比冲；主发动机SSME则采用高压涡轮泵，降低重复使用次数，提高使用工况（按109%推力使用），提升运载能力。

值得一提的是，航天飞机的固体助推器是第一种重复使用的、唯一用于载人航天器的固体火箭发动机。发动机药柱分为4段，采用柔性喷管。固体助推器并联捆绑在外贮箱两侧，与外贮箱分离后，抛掉喷管延伸段，通过伞降方式在海上溅落回收，而主降落伞也属于重复使用设备。

美国大力神系列运载火箭

大力神系列火箭是以液体动力洲际弹道导弹为基础研制的，细分为3A、3B、3C、3D、3E、34D、4A、4B 等多种型号，主要用于发射军用有效载荷。该系列火箭于1959 年首飞，2005年全部退役，服役期间为增加有效推力，部分型号在液体芯级处捆绑了2个大型固体助推器。

作为美国“固液混合”运载火箭的开创者，大力神3C火箭于1965年首飞，起飞时仅助推器工作，芯级发动机不工作。为安全起见，助推器贡献足够能量后，采取推力终止模式，并使用防热罩，主要目的是防止助推器的高温燃气回流损伤主火箭一级发动机的喷管与底部。为此，在主火箭一级尾段又增加了防热罩与蜂窝结构的防热板。

大力神3C火箭的助推器发动机上设有推力向量增压控制箱。通过推力向量控制活门，作为氧化剂的四氧化二氮会喷射进固体火箭发动机的固定喷管，使推力向量偏斜，从而实现助推器姿态控制。随着技术进步，大力神4B火箭将固定喷管改为冗余液压推进装置驱动的液压摆动喷管，摆动幅度达±6度，提高了姿态控制效率。

美国改进型一次性运载火箭

20世纪90年代，美国空军提出了改进型一次性运载火箭研制计划，目标是降低发射成本，提高可靠性，满足国内需求的同时，争夺国际商业卫星发射市场。该计划催生了德尔它4和宇宙神5两大系列运载火箭，通过采用模块化设计思想和先进的动力、控制技术等，降低了发射成本。

▲ 德尔它4中型火箭

▲ 德尔它4重型火箭

德尔它系列火箭由弹道导弹改良而成。其中，德尔它4火箭于2002年11月首飞，根据任务需求，又细分为中型系列和重型系列，中型火箭选择捆绑2个或4个GEM-60固体助推器，重型火箭捆绑通用核心助推器。固体助推器具备固定和矢量喷管，利用主火箭上的 RS-68 液氢液氧发动机进行姿态控制，通过伺服传动机构推动发动机喷管摆动，提供俯仰与偏航通道的控制力矩，依靠涡轮排出的燃气喷射进行滚动控制。

宇宙神5火箭在2002年8月首飞，其近地轨道运载能力覆盖10.3～20.5吨，地球同步转移轨道运载能力覆盖4.0～13.5吨。该系列火箭全部采用二级构型，针对不同发射要求，在主芯级捆绑不同数量的固体助推器，或进行芯级并联，再根据载荷使用不同的上面级。

通过发动机控制器转动喷嘴摆角，宇宙神5火箭完成火箭俯仰、偏航和滚动控制。不过，宇宙神5火箭的固体助推器不参与控制过程，“单纯”提高推力。助推器数量增加后，火箭最大动压随之升高，宇宙神5火箭芯级发动机可通过节流来限制动压，在起飞后数十秒内，芯级发动机推力可降至标称值的60%。

通过芯级捆绑不同数量的固体助推器，两大系列火箭都形成运载能力阶梯。宇宙神5火箭甚至发射过捆绑单个助推器的不对称构型，当时固体助推器发动机喷口有向外的倾斜角度，以保证起飞推力过火箭质心，可以说是“斜着”起飞的。

该计划仍未止步，后续替代型号是火神系列火箭，芯一级采用BE-4液氧甲烷发动机，芯二级采用RL-10液氢液氧发动机，按需求捆绑最多6个固体助推器，近地轨道运载能力有望达到28.4～30.3吨。

美国“战神”与“太空发射系统”

随着使用经验积累和意外事故频发，美国航天飞机逐渐受到多方面质疑。战神系列火箭被设计用于替代航天飞机，仍采用传统的火箭加飞船模式。

▲ 宇宙神5火箭捆绑单个助推器起飞

▲ 宇宙神5火箭“正常”构型起飞

▲ 火神火箭发射想象图

▲ 战神1-X火箭是战神系列火箭的技术验证型号

战神系列火箭于 2009 年试飞，规划战神1火箭是串联式载人登月火箭，第一级可复用；战神5火箭则是“星座”计划中的重型货运火箭，采用两级全氢氧芯级捆绑大推力固体助推器的构型方案，捆绑2个5段式助推器。其固体助推器RSRMV发动机是当时世界上最大的分段式固体发动机，沿用并改进自航天飞机助推器。发动机总长47米，直径3.71米，推进剂质量630吨。通过2套液压万向伺服传动机构为喷管提供动力，完成俯仰、偏航和滚动姿态控制。

随着2010年“星座”计划取消，战神系列火箭夭折，但其技术方案并未被放弃，从中可以看出不久后的太空发射系统（SLS）重型火箭的设计思路。

2010年起，美国宇航局授权法案设想将“星座”计划的战神1火箭和战神5火箭设计转换成单一载人或货物使用的重型运载火箭，这就是如今风头正劲的“太空发射系统”。这款重型火箭近地轨道最大载货能力将达到130吨，载人版近地轨道运载目标达70吨，采用4台RS-25D/E液氧液氢发动机，即航天飞机主发动机改进型，捆绑2个从战神火箭延续下来的改进型5段式RSRMV固体助推器。

“太空发射系统”号称“史上最强运载火箭”，但进度一再拖延，今年多次发射演练失败，未来演练和发射计划不明。

欧空局阿里安系列运载火箭

阿里安系列火箭于1979 年首次发射，由最初的串联式过渡到捆绑式，近地轨道有效载荷范围覆盖1.4～20.1吨，地球同步转移轨道有效载荷范围为1.8～6.8吨。

欧空局目前主要利用阿里安5火箭发射大型有效载荷，其固体助推器总长26.774米，直径约3.05米，发动机工作时间129秒，由3个分段的燃烧室和大型柔性喷管组成。在研的阿里安6火箭也采用“固液混合”构型，直径5.4米，近地轨道运载能力约20吨，特意降低了设计载重，力争使制造费用比阿里安5火箭降低30%。

阿里安系列火箭捆绑固体助推器，不仅增大了推力和运载能力，还提高了火箭控制效率。阿里安1到阿里安4火箭只通过芯一级 4 台液体发动机的伺服机构控制喷嘴完成俯仰、偏航和滚动通道姿态控制，喷管最大摆角范围为±5.8度。阿里安5火箭通过芯级发动机喷管和助推器发动机喷管摆动，共同完成俯仰和偏航通道姿态控制，通过芯一级发动机上的补助系统，实现滚动通道控制，推力矢量控制系统推动助推器喷管作俯仰和偏航方向摆动，摆角为±6度。

▲ 太空发射系统重型火箭

日本H-2系列运载火箭

H-2系列运载火箭于1994 年首飞，采用模块化设计理念，根据不同发射任务要求，组合不同芯级与固体助推器。

基本型H-2火箭捆绑2枚固体助推器，助推器长23.4米，直径1.8米，分4段，装药量59吨。H-2A火箭捆绑2枚大型固体助推器，助推器长15.2米，直径2.5米，装药量65吨。H-2B火箭通过捆绑4枚固体助推器，地球同步转移轨道运载能力达8吨。在研的H-3火箭也采用“固液混合”构型，近地轨道运载能力有望达到25吨。

基本型H-2火箭捆绑助推器方案有一些特殊之处，其固体助推器喷管采用异戊二烯橡胶柔性连接，通过液压作动器使得喷嘴摆动范围为±5度，进而与芯级LE-7发动机共同对火箭进行推力矢量控制。

此外，H-2A火箭捆绑的SRB-A助推器是现役火箭采用的最大整体式固体助推器，可提供整箭起飞推力的80%，还使用机电作动器代替了液压作动器，控制更灵敏精确。

SRB-A助推器的连接和分离方式也比较特别。机架焊接在火箭一子级液氢贮箱的圆柱段上，其径向推力分量由前段偏航支杆和尾部偏航支杆传递到该机架及一子级尾段的发动机机架上，轴向推力分量通过推力支杆传递给一子级尾段发动机机架横梁的突缘，受力结构稳固可靠。助推器分离时，首先启动分离发动机，然后通电，切断前段、尾部偏航支杆连接处的火工品，通过分离发动机推力使助推器在推力杆的支撑下离开运载火箭，向外侧偏移。而后，推力杆也被切断，实现助推器完全分离。

印度SLV系列运载火箭

▲ 太空发射系统重型火箭近日因测试失败，发射再次延迟

▲ 欧空局阿里安5火箭发射瞬间

▲ 日本H-2A火箭升空

▲ 印度GSLV Mk3火箭

印度从1973年开始在探空火箭的基础上研制入轨级运载火箭，重点是“印度卫星运载火箭”（SLV）大型捆绑式运载火箭，至今已经发展出4个系列，分别为SLV-3、ASLV、PSLV、GSLV火箭。

其中，“固液混合”的GSLV Mk3火箭捆绑2个助推器后，成为印度最强劲的运载火箭，近地轨道有效载荷范围2.1～10吨，地球同步转移轨道有效载荷范围1～4吨。GSLV系列火箭均通过液体发动机的喷嘴转动和固体发动机的推力矢量控制系统共同完成俯仰、偏航和滚动姿态控制。

引人注目的PSLV火箭被戏称为“最典型的固液混合火箭”。为发射太阳同步轨道卫星，它不惜采用4级主芯级捆绑6台固体助推器的复杂方案，主火箭第一级、第三级为固体发动机，第二级、第四级使用液体发动机。该火箭俯仰和偏航通道姿态控制由安装在芯一级上的24 个喷射阀门辅助，启动全轴向多孔二次喷射推力矢量控制系统。

“固液混合”技术面面观

液体火箭芯级捆绑固体助推器方案在国外航天界获得广泛应用，最大的原因是有利于同时发挥固体火箭发动机大推力、液体火箭发动机高性能的技术优点，通过捆绑不同数量的固体助推器，实现阶梯式起飞推力需求。

固体助推器大部分采用分段式固体火箭发动机，以实现有限直径内大装药量、大推力的技术指标。助推器均采用标准中间段设计，通过中间段的增减以及前后段的适应性调整，实现不同的助推能力。此外，国外正在应用的固体助推器发动机主要以三组元丁羟（HTPB）推进剂，全轴摆动柔性喷管已普及。

不过，除美国航天飞机外，固体助推器一般不考虑重复使用。

随着固体火箭发动机直径、装药量加大，总体设计遇到更多难关，需要考虑发动机燃烧情况、内流场、热结构、连接结构、仿真分析等复杂因素。分段对接已经是固体火箭发动机实现大型化的重要技术手段，科研单位需重点解决分段壳体加工过程中的变形协调与大变形问题、可靠密封问题、分段式发动机不稳定燃烧问题以及固体助推器推力不平衡问题等。

“固液混合”运载火箭的芯级与助推器的匹配性至关重要，一方面要考虑结构布局匹配效果，降低捆绑推力不平衡的影响，确保有效防止芯级过热，导致性能损失等。捆绑助推器后，火箭外形的改变导致气动更复杂，需开展气动特性匹配，减小由助推器产生的阻力，尽可能提高运载火箭的稳定性。

随着固体助推器尺寸增大及推力提升，其控制能力也需相应增强。从美国、欧空局的主流设计趋势可以看出，大部分“固液混合”火箭的新型助推器发动机不再只是提供推力，还会与主芯级发动机联合起来，对运载火箭进行全方位姿态控制。另一方面，箭体振动方程也需要考虑捆绑助推器后的摆动情况，使得弹性振动形式更复杂，给“固液混合”火箭的弹性振动稳定性控制带来了更大的难度。

总体来看，国外“固液混合”火箭出现殊途同归的发展趋势，但各国技术水平、航天应用传统、任务需求等不尽相同，火箭组合方案也呈现出各自特色。