文：張雪松
7月13日21時13分，歐洲空間局最新研製的織女星-C（Vega-C）固體運載火箭，從位於庫魯的蓋亞那航天中心（CSG）首飛發射成功，成為目前世界上已成功發射的最大固體運載火箭。雖然首飛載荷質量只有約474千克，但它可將最大2。3噸的載荷送入700千米高度的極地軌道，運力遠遠超過印度固液混合的PSLV火箭。
織女星-C火箭可以滿足大多數近地軌道和極地軌道發射任務，它的首飛成功為歐空局提供了一種廉價和高效的運載工具，作為運力過大的阿里安5和阿里安6火箭的補充，也部分擺脫了對俄羅斯聯盟號火箭的依賴，顯示了固體運載火箭的優勢。
蓬勃發展的固體火箭
以太空探索技術公司（SpaceX）和火箭實驗室公司（Rocket Lab）為代表的商業新興航天公司的出現和發展，讓液體運載火箭吸引了全球範圍的關注。與此同時固體運載火箭也在蓬勃發展，產生了一批新型固體運載火箭，在中小運力範圍內和液體運載火箭展開了激烈的競爭，織女星-C火箭就是其中傑出的代表。
美國固體運載火箭的競爭力不錯，即使SpaceX公司也放棄了同一運力區間的獵鷹一號火箭。美國諾斯洛普·格魯曼公司收購軌道科學公司後，繼承了飛馬座（Pegasus）、金牛座（Taurus）和米諾陶（Minotaur）組成的固體運載火箭家族，現在米諾陶I和米諾陶IV、V等大型固體火箭仍在使用中，米諾陶VI正在研製。米諾陶I火箭源自民兵洲際導彈的發動機技術，其他的米諾陶火箭都使用2。34米直徑的和平衛士導彈發動機，米諾陶IV火箭的近地軌道運力達到了1591千克，700千米高度的極地軌道運力近1噸，米諾陶V火箭發射過383千克重的LADEE月球探測器。最新研製的米諾陶VI火箭前兩級使用兩臺SR-118火箭發動機串聯，700千米高度的極地軌道運力超過1。8噸，在固體運載火箭中運力僅次於織女星-C火箭。
用於發射LADEE月球探測器的米諾陶V火箭
日本和印度也在積極研製固體運載火箭。日本固體運載火箭最新的代表作是艾普斯龍（Epsilon）火箭，它第一級使用了來自H-IIA火箭2。5米直徑的SRB-A3固體助推器，加上原有M-V火箭的二、三級組成而成，它的亮點是廉價和自動化，還具備將700千克載荷送入500千米高度極地軌道的能力。印度最新研製的SSLV固體火箭使用了烈火3導彈的2米直徑固體發動機技術，是一種極地軌道運力300千克的廉價固體運載火箭，在商業發射市場上具備一定的競爭力。
歐空局著重研製大型固體運載火箭，織女星火箭是歐空局固體火箭發展的代表作。織女星火箭最初設計目標是研製一種700公里極地軌道運力1噸的大型固體火箭，它的第一級P80發動機由阿里安5火箭助推器衍生而來，是3米直徑的大型固體發動機，二三級使用新研製的Zefiro固體火箭發動機，火箭整體運載能力達到了約1。4噸。剛剛成功首飛的織女星-C火箭使用了更大的P120發動機，P120直徑達3。4米，推力超過470噸，在全球整體式碳纖維複合材料固體火箭發動機推力榜上名列前茅（目前排名第一的應該是我國航天科技集團四院自行研製的500噸級整體式固體燃料火箭發動機，於2021年試車成功），為織女星-C火箭運力提高到2。3噸奠定了基礎。
2021年10月19日，我國500噸推力整體式固體火箭發動機地面熱試車圓滿成功，綜合性能達到世界領先水平。
大型固體火箭的優勢和趨勢
隨著小衛星市場的蓬勃發展，以及軍事航天對快速響應的需求，各航天國家在發展液體重型運載火箭之外，也將固體運載火箭做為發展的重點。
固體運載火箭具備成本低、結構簡單、維護操作方便和發射準備時間短等特點，可滿足快速響應發射以及低成本發射的需求。然而，美國固體運載火箭從固體洲際導彈衍生而來，而日本的固體火箭更是從鉛筆火箭起步，因此在發展的早期，固體火箭的運載能力並不大，在大中型載荷的發射上無法和液體運載火箭媲美。
隨著固體火箭動力等技術的進步，固體運載火箭不僅快速響應發射能力更強，在保持低成本高可靠性等優點的同時，運載能力也逐步增大，讓固體火箭具備了更大的優勢，開始蠶食中等衛星載荷的發射市場。
米諾陶VI火箭的極地軌道運載能力超過1。8噸，織女星-C固體火箭的運力更是高達2。3噸；而商業發射市場上備受青睞的印度PSLV液體火箭，即使是加長型PSLV-XL火箭同等軌道的運力也只有1。75噸。也就是說，米諾陶VI和織女星-C大型固體火箭的運載能力，已經超過了印度PSLV以及中國長征二號丁火箭（700千米太陽同步圓軌道的運力為1。2噸），尤其是織女星-C火箭的運力甚至和長征四號乙火箭相當（太陽同步圓軌道2。5噸）。隨著衛星技術的全面進步，低軌道上小衛星的效能已經相當強大，例如法國遙感星座昴星團（Pleiades）的NEO衛星裝有1。3米口徑的相機，解析度提高到0。3米，但它們的發射質量只不到1噸，最終選擇用織女星火箭來發射。
織女星火箭整流罩中的昴星團NEO衛星
總而言之，新一代大型固體運載火箭的運力足以滿足絕大部分極地軌道發射需求，結合織女星固體火箭2200~2500萬歐元的發射價格，大型固體火箭在商業市場上具備了不錯的競爭力。
固體運載火箭和固體彈道導彈一脈相承，但現代固體火箭的廉價發射成本，並非簡單的固體導彈再利用，更是從設計到製造不斷進步的結果。日本Epsilon火箭大量使用自動檢測技術，自動化水平的提高縮短了發射準備時間，減少了工作人員數量。現代固體運載火箭還和大型固體助推器共同發展，日本Epsion火箭和歐洲織女星火箭第一級發動機技術都源自捆綁式火箭的大型固體助推器，印度SSLV火箭運力不大但和大型固體導彈共用第一級固體發動機，透過共享技術和生產線攤薄成本，顯著降低固體火箭的綜合成本。
發展大固體火箭，難點在哪裡？
歐空局的織女星系列火箭代表了大型固體火箭發展的方向，但物美價廉的大型固體火箭研製並不簡單，最重要的攔路虎就是大型固體火箭發動機的研製了。俗話說的好：航天要發展，動力要先行。不論是液體還是固體火箭，發動機的研製都是火箭研製最重要的核心要素。
固體火箭發動機雖然看起來簡單，但高效能的固體發動機研製難度很高。固體火箭發動機主要涉及高能/高比衝推進劑，高效能殼體，低密度噴管擴張段等多項技術，對於固體運載火箭來說，雖然對推進劑比衝，殼體和噴管的減重指標要求較低，但對發動機推力提出了更高的要求。即使是捆綁式的固體火箭助推器，推力也普遍達到了百噸級，而作為固體運載火箭的起飛級動力，更是要求數百噸甚至更大推力的固體發動機。為了滿足固體發動機大推力的研製要求，工程師們主要採用兩種方法增大推力，其一是加粗發動機直徑，大直徑的固體火箭發動機推力更大；其二是研製分段式發動機，多段串聯加長成倍提高推力。
用於阿里安-6和織女星-C火箭的P120大型固體發動機
然而無論是加粗還是加長，都不是輕而易舉的事情。固體火箭發動機深受燃燒不穩定的困擾，固體推進劑成分多、反應複雜，難於實驗模擬，對燃燒不穩定的產生也沒有準確的預測方法。而直徑越大、長度越長的固體發動機，其燃燒不穩定問題就越棘手，需要付出很大的努力積極克服。另外，大直徑固體發動機的藥柱澆築問題相當棘手，對於分段式發動機來說，分段對接技術和點火技術也是需要攻克的難題。
此外，雖然大推力固體火箭發動機對殼體等結構重量不甚敏感，但隨著航天發射對成本和效能的追求，傳統較為笨重的鋼殼體成為昨日黃花，高強度輕質量的碳纖維複合材料殼體，以及同樣從導彈領域發展出來的低密度複合材料噴管，都在大型固體火箭發動機上得到了應用。例如織女星-C火箭第一級使用的P120發動機，不但推力大，而且使用了碳纖維複合材料殼體，為火箭的高效能打下了堅實的基礎，使這種起飛質量達210噸的固體火箭，運載能力和運載係數甚至超越了部分液體火箭。我國航天科技四院自主研製的目前世界上推力最大、可工程化應用的整體式固體火箭發動機，推力達500噸，也採用了高效能纖維複合材料殼體、高裝填整體澆注成型燃燒室、超大尺寸噴管等多項先進技術，打通了我國千噸級推力固體發動機發展的關鍵鏈路，將為未來大型、重型運載火箭技術快速發展提供了重要支撐。
2019年1月28日，P120固體燃料發動機試車成功。
簡單地說，大推力的指標解決了大型固體火箭“有沒有”的問題，而高效能殼體和噴管等先進技術，決定了大型固體火箭“好不好”，能不能在激烈的市場競爭中擁有一席之地。
進擊的中國大固體火箭，2022年令人期待！
美歐日等國都在積極發展大型固體運載火箭，我國在突破了大型固體火箭發動機技術後，也開始研製固體運載火箭。2009年，我國成功研製了直徑2米、推力120噸、當時國內最大的整體式固體火箭發動機，直接推動了我國長征系列運載火箭中第一型全固體運載火箭——長征十一號的立項研製。2015年9月25日，長征十一號火箭首飛成功，成為我國固體動力邁向宇航運載領域的重要里程碑。同一時期，中國航天科工集團研製的快舟一號甲固體運載火箭也取得了突破，於2017年1月9日首飛成功。長征十一號和快舟一號甲等火箭標誌著我國固體火箭從無到有，但它們的運力仍停留在百公斤級，隨著我國固體火箭發動機技術的快速進步，更大直徑、更大推力和更先進的固體火箭發動機不斷出現，為研製噸級運力以上的大型固體火箭做好了準備。
2020年9月15日，長征十一號固體運載火箭第二次實施海上發射取得成功
2019年，我國自主研製成功了直徑2。6米、推力200噸的整體式固體發動機，推動了捷龍三號固體運載火箭的立項研製。捷龍三號由中國長征火箭有限公司面向商業航天發射市場推出，箭體最大直徑2。64米，起飛質量140噸，500千米太陽同步軌道運載能力1。5噸，計劃2022年內實施包括首飛在內的三次發射。
捷龍三號固體運載火箭
航天科工集團研製的快舟十一號火箭，是2。2米直徑的複合材料殼體固體火箭，起飛質量78噸，700千米高度太陽同步軌道的運載能力為1噸。2020年7月10日，快舟十一號首次執行飛行任務，火箭飛行出現異常，發射任務失利。據悉，快舟十一號有望在2022年下半年實施復飛。
國內首家混合所有制商業航天企業中科宇航公司研製的力箭一號火箭，也即將衝擊國內噸級大固體火箭成功首飛的紀錄。力箭一號使用2。65米直徑的大推力固體火箭發動機，500千米太陽同步軌道運載能力達1。5噸。據悉，力箭一號已經完成研製，並和地面發射支援系統進行了合練試驗，為發射做好了一切準備，即將在近期實施首飛。
這麼看來，2022年下半年的固體火箭發射領域，可謂亮點不斷，精彩紛呈！預祝這些型號都能取得圓滿成功！屆時，我國在大型固體運載火箭領域將比肩美歐等航天強國，並將從並跑，向領跑躍進。