根据推进剂形态的不同,目前世界上主流的火箭发动机分为液体火箭发动机和固体火箭发动机。
液体火箭发动机比冲量高,更易进行启动、关机及调节推力,且工作时间长、造价较低,是目前应用最广泛的火箭发动机。固体火箭发动机则能避免液体火箭发动机必须经过繁琐准备才能发射和维护成本高昂的问题,可使导弹和战术火箭即时发射,符合当前快速响应作战的要求。
现代固体火箭发动机组成结构和制造工艺相对复杂。按照燃烧室结构形式的不同,可分为整体式固体火箭发动机和分段式固体火箭发动机。整体式固体火箭发动机的推进剂是一次性浇铸完成,只有一个燃烧室,中间没有缝隙,无需解决分段对接、绝热对接等技术难题,在可靠性、制造成本等方面有一定优势。分段式固体火箭发动机是将发动机燃烧室分成若干段,每段燃烧室独立绝热、浇注,并通过模块化组合装配而成。
对整体式固体火箭发动机而言,增大装药量需要加大发动机壳体直径,这会使发动机制造难度及成本显著上升,因此整体式固体发动机不能无限“扩容”。美国的AJ260整体固体火箭发动机,推力据说达上千吨,但与之相应,其直径达到6.6米,燃烧室长度达24米。不过,这款为“土星五号”火箭研制的发动机,最终无果而终。NASA后来使用F-1液氧煤油发动机将其代替。
与整体式固体火箭发动机相比,分段式固体火箭发动机更容易提升推力。但是,分段式固体火箭发动机也有短板,比如设计者不得不面对其能量密度不高、比冲量较低、流量难控制、工艺要求高等问题。因此,分段式固体火箭发动机也无法做到不断“分身”。
从两者关系上看,整体式固体火箭发动机既可以单独作为火箭发动机推动火箭或导弹飞行,也可以作为分段式固体火箭发动机的基本单元来使用。当今世界上,一些推力达到500吨以上的固体火箭发动机大多是分段式固体火箭发动机。对于采用固体火箭发动机的导弹而言,近程导弹多采用整体式固体火箭发动机,中、远程导弹多采用两级以上的分段式固体火箭发动机。
近几十年来,整体式固体火箭发动机技术快速发展。2018年,欧洲的P120C整体式固体火箭发动机地面试车,推力达400多吨。日本和印度在整体式固体火箭发动机研究方面也取得成果。我国的运载火箭推进剂以往以液体为主,固体为辅。近年来,我国在固体火箭发动机技术研发领域不断突破,去年10月,我国研制的推力达500吨的整体式固体火箭发动机试车成功,成为世界上现有的推力最大的整体式固体火箭发动机。
对大推力火箭而言,分段越少,成本越低,可靠性越高。从这个角度来讲,整体式大型固体火箭发动机的研发在相当程度上决定着火箭发动机研制的整体水平。更大推力整体式固体火箭发动机的研制成功,则意味着通过“叠加”获得千吨级固体火箭发动机的基石更加牢固。
(作者单位:航天工程大学)