2021年度固体火箭技术进展

《固体火箭技术》编辑部

2021年，我国自主研制的直径最大、装药量最大的3.2 m分段式固体火箭发动机与世界上推力最大、冲质比最高的3.5 m整体式复合材料缠绕壳体固体火箭发动机相继试车成功，表明大型分段燃烧室的连接密封、多分段发动机点火-流动匹配性、大型喷管长时间工作热防护、大型高性能纤维复合材料壳体等关键技术取得重大工程突破。目前，我国在3 m以上大型固体火箭发动机设计技术、推进剂、材料与先进精细化制造工艺，以及试验测试技术等方面取得了里程碑式进展，打通了我国千吨级推力固体发动机发展的关键技术链路(2021,44(1):1-3)。专家指出，为提升我国未来大型、重型运载固体火箭发动机技术水平，需继续锚定“分段式”和“整体式”两条技术路径，“整体打基础、分段再提升”，以此满足我国空间装备、载人登月、深空探索等的应用需求。

目前，固体火箭发动机技术总体上比较成熟，有些固体火箭发动机已达到相当高的技术水平，进入了批量化生产和系列化发展阶段，基本可以满足需求，但与世界先进水平仍存在差距。航天科技四院叶定友研究员在《固体火箭推进技术发展的几点思考》(2021,44(4):427-430)中，提出了固体火箭推进技术未来发展需关注的重点方向，如优化设计目标追求总体性能最优，提高发动机精细化设计水平、发展智能化固体动力、关注固体发动机使用性能研究等。

航天科技四院田维平研究员在《固体火箭发动机技术发展和面临的关键技术问题》(2021,44(1):4-8)中对于未来固体发动机关键技术进行了梳理，指明了战略导弹、战术导弹、航天运载、固体组合动力等面临的关键技术问题及相应的主要解决途径；同时，在《固体动力智能化发展技术展望》(2021,44(2):146-150)中，明确了固体动力推力调控、跨介质工作、工作过程主动控制等未来重点技术发展方向，并提出了对其未来发展趋势和应用方向的建议。

大尺寸延伸喷管技术是实现固体发动机大型化的重要支撑技术之一，其展开过程与导弹的级间热分离过程存在一定程度的重合，并受到级间瞬态流场、展开动力学、展开能源系统和级间相对运动等多个物理过程的耦合影响，工况条件十分复杂。航天科技四院41所的任萍等(2021,44(2):275-284)对固体发动机双级延伸喷管级间热分离展开过程进行了动力学耦合仿真，获得了级间流场演化情况和延伸锥的展开特性，发现了提高展开与对接过程结构安全性的有效方法。

值得关注的是，面向临近空间高速宽空域飞行的组合动力、面向深空探测的新型电推进、发动机智能设计等新型特种固体发动机技术日益受到国内外的高度关注。航天科技四院董新刚团队(2021,44(2):166-178)回顾了多种在研粉末发动机的发展历程，指出粉末燃料输送及流量调节技术是限制其发展的技术瓶颈。中国科学院工程热物理研究所的赵巍等(2021,44(2):179-187)采用容积法建立了考虑工质变比热即化学平衡的发动机动态模型，通过调节推进剂供应和尾喷管面积相结合的方法，实现了发动机的快速安全启动。2020年固体推进动力领域发展综述(2021,44(2)：135-142)中提到，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室已经研发出了可重复启动固体火箭发动机，并完成了单级固体火箭发动机的多次点火启停试验，下一步将进行发动机在轨验证。专家指出，我国也有必要加快推进超燃、推力可调可控、跨介质组合动力、跨域长时间工作、电推进、离子推进、粉末发动机等特种发动机领域方面的研究。

固体火箭发动机性能预示精度对开展固体导弹或运载火箭总体方案设计、飞行弹道及安全控制区精准预示、设计方案鲁棒性评估等具有至关重要的作用，目前还有进一步提高的空间，如推力-时间曲线的预示精度达到3%～4%、比冲预示精度达±9.8 N·s/kg。传统方法可较为准确地预示一型发动机的内弹道包络，但无法普适性地针对复杂环境剖面下的单台发动机进行精准预示。中国运载火箭技术研究院的蒲晓航等(2021,44(6):767-772)提出了基于遗传算法的固体发动机内弹道精准预示自修正方法，大幅提高了主动段飞行弹道的控制精度，有效弥补了主动飞行段跟踪固定程序角制导模式中飞行弹道受固体发动机内弹道预示精度影响较大的不足。推进剂/衬层/绝热层粘接界面失效问题是诱发固体发动机故障的重要原因，对于粘接界面损伤过程及其机理的研究一直是人们关注的重点。海军航空大学的伍鹏等(2021,44(3):343-349)基于界面细观代表性体积单元，采用粘性接触算法(RVE)和最大主应力准则对界面损伤与失效过程进行了数值模拟研究，这为有效评估固体火箭发动机粘接界面的力学性能提供了参考。

以上无论是级间热分离条件下延伸喷管工作环境及使用载荷的探索，还是固体发动机内弹道精确预估及自我修正方法、固体发动机推进剂/衬层/绝热层粘接界面的模拟等的研究工作，主要目的都是为实现固体发动机的高质量、高可靠的总体目标。

为进一步拓宽固体发动机的应用范围，在传统设计方案的基础上，通过在燃烧室内设置脉冲隔离装置，使其具备多次启停功能，合理分配推力及各脉冲工作时间的能力，这将极大地提高武器系统的作战机动性能。国内相关研究开展较晚，仅对双脉冲发动机内流场流动规律、绝热层烧蚀研究及隔离装置设计等方面进行了研究，对第二脉冲点火瞬态特性研究较少。西安现代控制技术研究所的朱亮等(2021,44(6):773-782)采用有限体积法求解雷诺时均Navier-Stokes方程组，基于高精度AUSMPW+迎风格式、3阶MUSCL重构方法和-SST湍流模型，实现了对第二脉冲点火瞬态过程的数值模拟，并研究了点火药量、推进剂燃速及隔离装置强度对点火延迟特性的影响，这对提高双脉冲发动机点火可靠性具有重要参考意义。

先进材料技术始终引领、支撑着固体火箭发动机技术的发展，是实现从设计图纸到工程化型号产品转化的重要基础，也是固体发动机性能提升的核心途径之一，即一代新材料，一代新型发动机。张光喜、薛朋飞、崔红研究团队(2021,44(1):96-105)提出了一种抗烧蚀型C/C材料的研制新思路，并研究了C/C-ZrC-Cu复合材料的微观结构与抗烧蚀性能。与传统C/C材料相比，该型材料的快速低成本优势显著，制备周期缩短75%以上，高温耐烧蚀性能有效改善，烧蚀率降低约9倍。同时，也为如何提高C/C材料的塑性和加工性提供了新思考。

作为一种国家战略性新兴材料，碳纳米(石墨烯)材料因其比表面积大、强度高、导电导热性优异及透光性高等优势，在轻量化材料、动力电池、电磁屏蔽材料、散热材料等领域得到广泛应用，也是宇航推进领域技术应用所关注的热点。目前，碳纳米(石墨烯)材料在固体推进剂性能提升与降感、超高温绝热阻燃材料改进、内外防热涂层性能提升、特种环境下复合材料性能提升等方面初露锋芒。沈阳航空航天大学的任荣等(2021,44(6):718-725)从石墨烯功能化改性、石墨烯对含能材料的催化剂、含能组分、氧化剂等性能的影响进行研究，发现石墨烯可以促进含能材料中AP等氧化剂的燃烧，产生更多热量且无多余燃烧产物。中科院金属所的王涵、曾尤团队(2021,44(6):737-746)综述了石墨烯在碳纤维增强树脂基复合材料结构功能一体化方面的研究进展，重点评述了石墨烯/碳纤维混杂复合材料在导热、电磁屏蔽以及雷电防护等方面的研究成果，并展望了该领域的关键问题以及未来发展趋势。阮英波、张承双研究团队(2021,44(5):678-686)设计了基于Diels-Alder反应的石墨烯基自修复材料，通过在聚合物中引入极少量的功能化石墨烯，实现了石墨烯增强的聚合物自修复作用和Diels-Alder反应的高温修复作用的有机结合，这对发动机壳体外表面快速修复应用有重要价值。专家指出，如何在工程化应用过程中控制石墨烯与负载纳米粒子的复合比例以获得最优的性能，如何实现高质量、大规模、低成本和绿色生产，如何将石墨烯的优异特性用于固体火箭发动机的推进剂改性、防热、隔热、耐烧蚀结构以及高性能的承力结构，是我们将来需重点关注的领域热点。

最后，针对当前及未来越来越复杂的使用环境，如何有效满足各种使用环境，如何对使用性能和安全性能进行精准可靠的评估，如何得出满意的可用性结论，这仍然是固体火箭发动机技术领域面临的重大课题。为此，2021年本刊还刊登了有关测试、试验与安全性方面的文章。例如，航天化学动力技术重点实验室的孙百政等(2021,44(3):399-408)以NEPE推进剂试验件为研究对象，建立了“壳体+绝热层+推进剂”的三层圆筒结构模型，利用有限元动力学软件对其受破片冲击的动力过程进行了数值模拟，研究了不同规格破片冲击NEPE推进剂的影响规律，为NEPE推进剂破片冲击特性研究提供理论参考。航天动力测控技术研究所的刘拓、兰宝刚等(2021,44(3):409-413)采用二维轴对称雷诺平均方程和-湍流模型，对某大型主动引射高空模试验系统在不同流量固体火箭发动机稳定运行过程中的流场结构进行了数值模拟研究。这是国内首次较系统地获得了试验舱舱压随发动机流量的变化规律，为预估某主动引射高模台试验状态提供了有力技术支撑。另外，本刊还刊登了运载火箭与导弹技术、特种发动机技术等方面的文章，以适应航天固体动力领域的拓展，这里不一一列举。

2021年悄然离去，2022年如期而至。

未来的样子，都藏在我们的努力里。2022年，希望我们所有航天领域的固体火箭技术专家学者们，不负努力，勇敢探索，在自己的领域里开疆拓土，实现高品质的价值创造。