固体火箭推进技术在世界各国的武器装备体系中， 在航空与宇航技术中， 以及在国民经济建设中都已得到日益广泛的应用， 有着广阔的应用前景。
1. 在火箭武器中的应用
固体火箭发动机具有结构简单、 维护简便、 操作使用方便、 可靠性高、 长期贮存性好，并能长期处于战备状态等优点， 使得以固体火箭发动机为推进动力的武器具有良好的快速反应能力， 因此火箭武器一直是常规弹药中的重要组成部分。 火箭弹通常由固体火箭发动机、战斗部、 稳定装置、 引信和导向装置组成， 采用管式发射， 按使用范围可分为炮兵火箭弹、反坦克火箭弹、 航空火箭弹 （含火箭炸弹）、 海军火箭深水炸弹， 以及军用特种 （化学、 燃烧、 照明、 信号、 干扰） 火箭弹等。 此外， 固体火箭发动机作为一种动力装置在弹药增程领域也得到了应用， 如火箭增程炮弹、 底排-火箭复合增程炮弹、 火箭增程枪榴弹、 无后坐力炮火箭增程弹等。 在以上这些应用中， 固体火箭发动机在推力、 工作时间、 过载、 结构设计等方面有着非常大的差别。
多管火箭武器系统作为现代化炮兵装备序列中的重要压制武器， 在覆盖范围及单位火力密度方面有着较大的优势， 受到各国的普遍重视。 我国也不例外， 多管火箭炮火力系统已经构成我军由多种型号组成的近程、 中程、 远程和超远程的完整火力打击体系， 我国已具备完全独立自主研制世界先进水平的现代化多管火箭炮系统的能力。
射程是火箭武器的重要战术技术指标之一。20世纪50年代， 火箭弹的最大射程约为10km， 六七十年代大多数火箭弹达到了20km的射程，80年代研制的火箭弹射程已达30～40km， 甚至更远，90年代以后美国MLRS系统 （multiple launch rocket system） 的227mm火箭弹射程达到了70km， 俄罗斯 “旋风” 300mm火箭弹射程达到90km。20世纪末， 远程、 超远程火箭炮成为各国陆军多管火箭炮系统的发展重点。 俄罗斯的 “圆点” 火箭炮射程已达到120km， 我国超远程多管火箭弹射程达到150km。
进入21世纪之后， 随着射程的逐步提高， 多管火箭武器的重要发展方向之一是提高精度， 主要是在火控方面和火箭弹自身采取措施。 美国在MLRS增程火箭弹的发射架、 射击指挥系统、 风速测量等方面采取了新的技术措施， 并在火箭弹上采用简易控制和子弹末制导装置。 美国MLRS “灵巧” 战术火箭弹 （MSTAR） 配用自主式智能子弹和采用激光雷达寻的器的低成本反装甲子弹， 最大射程可达180km。 俄罗斯 “旋风” 火箭炮配用了带有末敏子弹的子母战斗部。 我国的远程火箭弹采用了简易制导和弹道修正措施， 射程与密集度指标达到了世界先进水平。
2. 在导弹武器中的应用
固体火箭有利于各类导弹向小型化、 机动和隐蔽的方向发展， 因此各类战术、 战略导弹推进装置的 “固体化” （由液体推进装置改为固体推进装置） 是必然的发展趋势， 固体火箭发动机已成为导弹中的主要动力装置。 目前， 除巡航导弹外， 世界各国大多采用固体火箭发动机作为导弹的动力装置。 一般而言， 近程和中程的反坦克导弹， 地-地、 地-空、 空-空、 空-地、 空-舰、 舰-空、 舰-舰导弹等多采用一级或两级固体火箭发动机； 对于有助推和续航两级推力要求的发动机， 一般采用双推力固体火箭发动机来实现两级推力； 对于大型战略导弹， 无论是以陆地为基的洲际导弹， 还是以舰艇为基的中远程导弹则采用多级固体火箭发动机作为动力装置； 各级反导武器， 特别是近程和超近程反导武器， 需要极高的快速反应能力， 固体火箭推进技术在这方面有其独特的优势。
目前， 美国的战略、 战术弹道导弹几乎已全部实现固体化。 表1-2给出了美国一些导弹的基本情况。
表1－2 美国的部分导弹
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俄罗斯早期的导弹多采用液体推进装置，计划在新世纪全部实现固体化。 如新一代 “白杨-M” 导弹采用三级固体推进装置， 导弹全长22.7m， 弹径1950mm， 射程达10500km。2005年12月21日， 俄罗斯 “圆锤” 海基潜射洲际战略弹道导弹 （SS-NX-30） 实验成功， 使俄罗斯的战略核打击力量大大增强。 “圆锤” 克服了 “白杨” 导弹在发射初期易被卫星探测的缺陷， 可以在大洋的任何位置发射， 利用潜艇的隐蔽性， 实现突然的攻击。 “圆锤” 导弹完全借鉴了 “白杨-M” 陆基洲际弹道导弹的研制经验， 具有突防能力强和圆概率误差小等特点。 该导弹与 “白杨” 外形相似， 采用三级固体火箭， 发射质量可能略低于“白杨” 的47t， 射程为10000km， 载荷为一枚550kt TNT当量的核弹头。 为了能够突破美国的弹道导弹防御系统 （BMD）， 俄罗斯在设计弹头时采取了多项措施， 如加装防辐射及电磁干扰防护罩、 增加诱饵装置、 分导式弹头等。
我国是世界上继美、 俄之后第三个拥有固体远程战略弹道导弹的国家， 各类地-地战略和战术导弹、 防空导弹、 海防导弹形成了完整配套的武器体系。 从液体发展到固体， 从陆上发射发展到水下潜艇发射， 从固定阵地发射发展到机动隐蔽发射， 拥有了有效的核威慑力量和防御反击力量； 防空导弹形成了中高空、 中低空、 低空、 超低空系列， 拥有了不同发射方式、 攻击不同空域的防空装备体系； 海防导弹形成了岸-舰、 舰-舰、 空-舰、 潜-舰等反舰导弹系列， 具备了抗登陆、 封锁重要海域和近海作战的能力。
3. 在航天技术中的应用
综观各国运载技术的发展， 大多数的动力装置中同时应用液体和固体两种推进技术。 如在液体主发动机周围并联多个固体助推发动机， 并采用固体火箭发动机作为顶级发动机， 已是一种成功的总体设计思想。 这种方案可以充分发挥液体和固体两种火箭发动机的优势， 还可以充分利用各自的成熟技术， 是一条经济、 可靠和有效的技术途径。 在航天领域中， 固体火箭发动机可以用作大型运载工具的第一级或捆绑起飞助推器， 可用于航天飞行器的近地点发动机、 远地点发动机、 变轨发动机、 宇航员座舱逃逸火箭或返回舱降落制动发动机等， 还可作为全固体运载火箭。 由于固体火箭能在外层空间环境中长期贮存， 用于反卫星武器的动力装置时可随时待命发射， 因此在未来的卫星-太空防御系统中会得到进一步的发展和应用。
早期运送航天器的运载火箭是从导弹派生出来的。 苏联发射世界上第一颗人造地球卫星的运载火箭就是用最早研制的 “P-7” 洲际战略导弹的运载器改制而成， 我国的 “长征2号” 运载火箭也是在第一代洲际战略导弹运载器的基础上发展而来的。 随着航天器类型与数量的增多， 航天发射范围的扩大， 发射航天器的运载火箭开始独立发展并自成系列。 我国的 “长征3号” 系列、 “长征4号” 系列运载火箭就是为发射不同轨道的航天器而研制的专用运载火箭。
在大型运载火箭上， 固体火箭发动机多用于助推级、 上面级， 大型固体火箭发动机也可以作为推力要求比较大的第一级， 并在起飞推力中占有相当大的比例， 见表1-3。 美国“大力神” 运载火箭是由同名洲际导弹演变来的， 从 “大力神-3C” 开始， 装有两台大型固体助推器。 “大力神-4B” 的大型SR-MU助推器直径3.2m， 采用HTPB推进剂，装药量314t， 壳体为高强度碳纤维／环氧复合材料， 最大工作压强8.8MPa， 平均工作压强6.35MPa， 工作时间134s， 平均推力7000k N， 起飞推力8453k N， 可将5856kg载荷送入地球同步轨道。 表1-4列出了美国几种运载火箭的性能。 欧洲 “阿利安” 运载火箭有1、3、4、5等4个型号， 其中 “阿利安-5” 在芯级两侧并联两台大型固体助推器， 直径3m， 装药量240t， 地球同步轨道发射能力为6920kg，1997年首飞成功。2005年2月12日， “阿利安-5-ECA” 携带两颗总重8390kg的通信卫星顺利升空， 其助推器采用轻型发动机壳体， 可多装2.5t推进剂， 推力增加了490k N。 “阿利安-5-ECA” 进一步改进后， 同步轨道发射能力将达11～12t， 低轨道发射能力达到20t， 成为未来的主力运载火箭。
表1－3 第一级固体火箭发动机在起飞推力中占有的比例
表1－4 美国几种运载火箭的性能
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航天飞机实际上是运载火箭、 航天器及滑翔机的组合， 航天器与滑翔机结合在一起成为可重复使用的组合飞行器， 如图1-14所示。 图中的航天飞机上有67台火箭发动机， 两台固体火箭助推器内装有降落伞， 供在海上回收工作结束后的发动机使用。 巨大的液氢液氧外贮箱在轨道器入轨前被抛掉并在大气层内烧毁。 航天飞机既能执行民用任务， 也能执行军事任务。 美国先后研制了5架航天飞机， 第一架航天飞机 “哥伦比亚号” 于1981年4月12日发射成功，2003年1月16日第28次成功发射，2月1日返回地球时因防热瓦失效导致空中解体失事。 航天飞机的固体助推器壳体材料为D6AC钢， 直径为3.7m， 长45.720m， 总质量591t； 推进剂为PBAN， 推进剂质量为503t； 最大工作压强为6.3MPa， 平均工作压强为4.53MPa， 工作时间为124s。
图1－14 航天飞机
固体火箭发动机可长期储存， 随时处于战备状态， 可移动到地球任一点上快速发射， 特别适用于在军事冲突、 自然灾害等紧急情况下使用。 因此， 为满足军事现代化对快速响应和小卫星发射的要求， 应用于车载发射和空中发射的全固体小型运载火箭得到了发展， 如美国的空射运载火箭 “飞马座”、 快速机动发射小型军用火箭 “猎鹰 （Falcon）”， 欧洲小型运载火箭 “织女座 （Vega）”， 俄罗斯 “起点 （Start）”， 日本的 “J-1” 和 “M-5” 运载火箭，以及我国的 “开拓者 （KT-1）”， 详见表1-5。
表1－5 各国小型运载火箭基本情况
4. 其他应用
在飞机起飞时可采用固体火箭发动机作为起飞助推动力装置， 用来缩短飞机的起飞跑道， 或增大起飞质量。 由于固体火箭发动机具有启动迅速的优点， 可作为飞行员救生用弹射座椅的动力装置。 冲压发动机需要一定的起飞速度， 常用固体火箭发动机作为助推器， 构成整体式固体火箭-冲压发动机。
固体火箭推进技术在民用领域中也已得到多方面的应用， 例如探空气象火箭、 防冰雹火箭以及增雨火箭等。 固体火箭还可用于完成某些特殊任务， 如在海上应用固体火箭快速埋置锚锭， 用来系缚船舶或固定水上作业平台 （火箭锚）； 用作水下穿缆打捞沉船的动力装置；向山顶或在两山之间架设通信电线、 抛射缆绳以牵引遇险舰船 （火箭抛绳枪）； 消防灭火（固体火箭灭火弹： 远距离灭火和高层建筑物局部着火区定向灭火； 燃气发生器灭火机： 以燃气发生器作为动力源驱动固体粉末灭火剂） 等。 固体火箭技术还成功地应用于石油领域（高能气体压裂弹、 稠油热采技术、 固体火箭石油钻井技术等）。 在新能源开发中， 美、 俄等国家已将固体火箭推进剂成功地应用于磁流体发电， 即可用作激光器电源、 热核反应试验电源和其他特种电源的固体燃料磁流体发电机， 其工作原理是： 固体燃料燃烧形成高温导电气流， 经喷管加速后高速穿越置于磁场中部的发电通道， 做切割磁力线运动， 输出电能。
固体火箭推进技术在民用领域中的开发与应用已取得较好的成果， 有了良好的开端。 随着国民经济的发展， 在民用领域将有广阔的应用前景。
思 考 题
1. 简述喷气推进装置的主要类型， 并分别列举几种采用这类喷气推进装置的飞行器。2. 试分析吸气发动机与火箭发动机的主要区别和推进性能方面的各自优势。
3. 简述冲压发动机的工作原理、 分类和特点。
4. 根据能源的不同可将火箭发动机分为哪些类型？
5. 火箭发动机的能源载体与工质必须是同一物质吗？ 试举例说明。
6. 简述凝胶推进剂发动机的工作原理和主要优缺点。
7. 简述组合发动机的主要类型。
8. 简述固液混合火箭发动机的工作原理和主要优缺点。
9. 讨论固体火箭发动机的主要组成部件与功能， 并简述其工作原理。
10. 试分析固体火箭发动机对点火装置的基本要求。
11. 简述固体火箭发动机的主要优缺点。
12. 简述固体火箭发动机的工作过程， 分析所发生的能量转换。
13. 列出几种固体火箭技术在军用和民用领域的应用实例。
14. 查找相关资料， 说明我国固体火箭技术的最新进展。
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