印度固體火箭發動機是鋼殼，中國航天固體火箭水平，也有待提高
轉自原作者：東方點兵
絕大部分導彈使用的都是固體火箭發動機。
不過我們今天主要要講的是固體火箭發動機在航天領域的應用情況，以及中國固體火箭發動機的發展情況。
（印度現在主力火箭使用鋼殼固體火箭發動機）
正如標題所說，印度使用的固體火箭發動機是鋼殼的。爲什麼印度要在固體火箭發動機上使用鋼殼呢？
鋼殼是不是說明技術水平低？我國固體火箭發動機又是用什麼材料？待筆者細細說來。
1
粘合劑和殼體——固體火箭發動機的關鍵
首先，我們來了解一下固體火箭發動機的工作原理。固體火箭發動機，顧名思義就是使用固體推進劑作爲發動機推進劑的火箭發動機。
目前，固體推進劑主要以複合固體推進劑爲主，它包括燃料、氧化劑、粘合劑、鋁粉等添加劑在內的多種材料組成。
（固體推進劑）
其中，燃料和氧化劑是固體推進劑的重要組成部分，它們化學反應釋放出的能量將會是固體火箭發動機主要的能量來源。
然後是粘合劑，這個不起眼的東西卻是固體推進劑裡面最重要的成分，甚至固體推進劑的名字都是用粘合劑的名字來命名的，可見其重要性。
爲什麼粘合劑會這麼重要呢？因爲固體推進劑中，粘合劑負責把燃料和氧化劑固定成型，這樣才能夠成爲固體推進劑。
這樣需要使用的粘合劑分量就不會少，不然就粘不牢燃料和氧化劑，不能形成穩定的固體推進劑藥柱。
（HTPB是目前應用最爲廣泛的粘合劑）
而這分量不少的粘合劑也會參與到固體推進劑的燃燒當中，這時候就考驗粘合劑的性能了。
粘合劑要做到能夠儘量不影響燃料和推進劑的燃燒，如果可以的話最好粘合劑本身也能作爲一種燃料進行燃燒。
這樣才能最充分地發揮固體推進劑的燃燒能量，獲得更好的固體火箭發動機性能。
所以粘合劑的選擇成爲了固體推進劑的重中之重，目前在航天領域普遍使用的固體推進劑，使用的是HTPB粘合劑，所以也被稱爲HTPB推進劑。
除了上面這些成分以外，現代固體推進劑裡面還添加有鋁粉等添加劑，進一步改善固體推進劑的燃燒情況，提高發動機性能。
（航天飛機發射時，助推器明亮的火焰就是因爲裡面有鋁粉）
相比起使用液體燃料的液體火箭發動機來說，固體火箭發動機最大的不同就是，用來存放固體推進劑的殼體，同時也是固體火箭發動機的燃燒室。
也就是說，固體火箭發動機的燃燒過程，就發生在存放固體推進劑的殼體中。而推進劑的燃燒過程將會產生很高的壓力和溫度。
這就要求整個固體火箭發動機的殼體能夠承受推進劑燃燒產生的巨大壓力，所以需要做得很堅固。
這就讓固體火箭發動機的殼體，相比起液體燃料發動機的燃料儲罐來說要厚實不少，相應地也會重很多。
（固體火箭發動機結構）
那麼要用什麼材料來製作固體火箭發動機的殼體呢？可能很多人想到的是輕便的航空鋁材。
但是鋁的熔點不高，沒辦法直接承受固體推進劑燃燒產生的高溫。而且鋁的強度也不算很高，要抵擋固體推進劑燃燒產生的高溫要做得很厚。
這樣一來，如果用鋁合金來製作固體火箭發動機的外殼的話，鋁合金外殼會做得很厚，才能滿足耐高溫和高壓的需求。
所以在大部分的固體火箭發動機上，使用的都是高強度合金鋼，作爲外殼的材料。
（鋼殼是常用的殼體材料）
因爲合金鋼強度高，而且熔點也很高，所以只需要薄薄的一層就可以滿足使用需求，算下來反而要比鋁合金外殼輕。
所以美國航天飛機的4段式助推器、即將發射的SLS火箭的五段式助推器以及歐洲阿麗亞娜5運載火箭的助推器，都是鋼殼+HTPB的固體火箭發動機。
2
便宜又好用——鋼殼固體火箭發動機
鋼殼+HTPB是目前航天界主流的起飛級固體火箭發動機組合。
爲什麼說是起飛級固體火箭發動機的主流組合呢？這就要從固體火箭發動機起飛級的特點說起。
目前，固體火箭發動機起飛級的運用場景主要有兩種，一種是芯級氫氧+固體助推的火箭。
（航天飛機影響了80年代的火箭設計思路）
這種火箭是上世紀80年代以後，受航天飛機影響而流行的一種火箭設計思路。
這種火箭的芯級是比衝（也就是發動機工作效率）很高的液氫液氧發動機，可以提高火箭的運力。
但是大部分氫氧發動機的起飛推力，相比於整個火箭來說都不夠，會出現飛不起來的尷尬場景。
所以推力巨大的固體火箭發動機就能在這個時候派上用場了。用固體助推器的巨大推力讓火箭迅速升空，就能解決氫氧發動機推力不足的問題。
這個設計被不少火箭採用，比如歐洲阿麗亞娜5，日本H-2，美國SLS等。
（阿麗亞娜5火箭發射升空）
在這種火箭設計方案中，固體火箭發動機主要要提供的是強大的推力，而對於固體火箭發動機的效率等要求不高。
所以出於成本考慮，在這些固體助推器上，使用的都是鋼殼+HTPB的組合，推力大還成本低。
比如阿麗亞娜5火箭的助推器，推力就達到了720噸，接近液體火箭發動機推力之王RD171的推力。
而在SLS上面使用的五段式助推器，推力更是達到了1600噸，是目前推力最大的火箭發動機。
固體火箭發動機起飛級的另外一個運用場景，是在固體運載火箭上。典型例子就是我國的長征11號火箭。
（長征11號火箭發射）
長征11號火箭前三級都是鋼殼+HTPB的固體火箭發動機，第四級是負責精確入軌的液體上面級。
這種固體運載火箭的特點是反應迅速，而且成本要低，這樣才能在商業航天發射上佔有一席之地。
所以長征11號使用鋼殼+HTPB最主要的原因就是成本低，發動機效率相對低的問題可以通過增大發動機的規模來保持運力指標。
長征11號起飛重量58噸，在700公里太陽同步軌道上的運力達到了420千克。
（長征11號火箭性能優異）
這個指標可以說相當不錯。同樣是固體運載火箭的日本Epsilon運載火箭，96噸起飛重量，同樣的700公里太陽同步軌道運力只有225千克。
Epsilon運載火箭三級發動機使用的還是先進的碳纖維殼體，這足以說明長征11號設計的優秀。
講到Epsilon的碳纖維殼體，我們就來講講固體火箭發動機除了鋼殼以外，還有哪些殼體材料。
3
堅固而輕便——新型殼體材料
我們前面提到，鋼殼+HTPB普遍使用在固體火箭發動機的起飛級上，因爲起飛級只需要推力大，對效率要求不高，所以使用便宜的鋼殼。
如果是對航天有了解的朋友，可能會有一個問題：起飛級使用鋼殼，那上面級的固體火箭發動機也使用鋼殼嗎？
上面級是負責把衛星送入軌道的最後一級火箭，它的性能直接影響着火箭的運力。
比如說，上面級在把衛星送入軌道的同時，自己其實也是跟着衛星一起入軌了。所以上面級每減少一公斤重量，能夠送入軌的衛星重量就增加一公斤。
（上面級負責把衛星送入軌道）
所以對上面級進行減重那是相當划算的事情，減下來的每一公斤重量都可以實打實地變成衛星的重量。
而鋼殼雖然便宜，但是在上面級這種真正意義上的“斤斤計較”的地方，成本不是第一要素，性能纔是。
而目前使用的，比鋼殼更先進的殼體材料有兩種，一種是玻璃鋼，一種是碳纖維。
玻璃鋼是一種複合材料，它成本相比起碳纖維來說要更低，而同等強度下又比鋼殼要更輕，是一種適中的選擇。
碳纖維的成本那可就貴了，但性能也是實打實的好。目前大部分的固體上面級，比如最有名的Star系列固體上面級，使用的都是碳纖維殼體。
（Star系列固體上面級）
碳纖維殼體耐高溫，而且強度相當高，重量也很輕，使用碳纖維殼體的固體火箭發動機性能遠比鋼殼火箭發動機要更強。
這時候可能有人會問，那爲什麼Epsilon運載火箭使用了碳纖維殼體，性能還這麼差呢？
運載火箭是一個非常複雜的產品，火箭發動機性能只是其中一部分，整體設計水平對於運載火箭的性能來說也是相當重要的因素。
Epsilon運載火箭的火箭發動機每一個單獨拎出來性能都不錯，但是整體設計水平的不足讓火箭發動機的性能沒能夠充分發揮。
所以這就導致了Epsilon運載火箭運力低下。反觀長征11號，就是整體設計水平非常不錯，拿着普通的發動機性能都造出一個性能不錯的火箭。
4
成熟而先進——中國固體火箭發動機的發展
講了這麼多，那中國固體火箭發動機現在是什麼一個水平呢？
中國使用固體火箭發動機的時間很早，早在1970年中國發射“東方紅1號”的時候，長征1號運載火箭的三級就是固體火箭發動機。
（負責把東方紅1號送入軌道的就是固體上面級）
到八九十年代，隨着DF21、巨浪1等彈道導彈的研發和服役，中國基本掌握了鋼殼+HTPB的固體火箭發動機技術。
不過中國這時候很少在運載火箭上使用固體火箭發動機，基本上使用液體火箭發動機作爲運載火箭的主動力。
只有長征2號E運載火箭，在幾次發射國際商業衛星的時候，使用了美國的Star系列固體上面級。
在90年代，把同步軌道衛星和固體上面級發射到近地軌道，然後由固體上面級把衛星送入同步轉移軌道，是當時國際上一個流行的做法。
（長征2號E火箭）
而主打國際商業衛星業務的長征2號E，自然也使用了這種做法。
進入21世紀以後，中國開始研製和使用玻璃鋼+HTPB的固體火箭發動機，並且在幾種新型東風導彈上得到使用。
比如DF26導彈，據稱就是使用這種固體燃料火箭發動機。
不過更多時候，中國固體火箭發動機使用的都還是鋼殼+HTPB的組合，無他，實在是太便宜了。
比如DF17導彈的固體火箭發動機，仍然採用鋼殼+HTPB的組合，這讓一枚高超音速導彈的造價只有2000萬人民幣，甚至不如一輛99A。
（DF17使用鋼殼+HTPB，成本低）
再比如我們前面提到的長征11號火箭，以及另外一款火箭長征6號甲火箭的助推器，使用的都是同一款120噸推力鋼殼+HTPB固體火箭發動機。
這裡面的主要原因還是便宜。
不過，在一些關鍵的地方上，我們也絕對不會說吝嗇，更不會說沒有技術。
比如在HQ9B防空導彈上，使用的就是玻璃鋼+HTPB的組合。而據稱在DF41導彈上，使用的是碳纖維殼體。
（防空導彈對發動機性能要求很高）
中國碳纖維殼體的技術已經逐漸成熟，而且成本也在不斷降低，最有力的證據就是此前試驗的500噸固體火箭發動機。
這是世界上推力最大的整體式固體火箭發動機，目前推力比它大的都是分段式固推。
同時，這款固體火箭發動機使用了碳纖維殼體，而它未來的使用對象是捷龍3號甲固體運載火箭的一級發動機。
（500噸整體式碳纖維固體火箭發動機代表了我國固體火箭發動機的最高水平）
用碳纖維殼體固體火箭發動機，去給一個講究成本的固體運載火箭當一級發動機，這足以說明在中國，碳纖維殼體的成本已經得到很大程度地降低。
同時，中國固體火箭發動機技術除了殼體材料以外，在固體推進劑至關重要的粘合劑方面，中國N15、H16等新一代固體推進劑配方也取得突破。
可以說，中國固體火箭發動機技術，處於世界的第一梯隊。