和液體火箭相比，固體火箭的優(yōu)勢在哪里？

2024 年 7 月 12 日，西安航空學(xué)院教師梁毅辰在科普中國星空講壇陜西專場“探秘星空 觸摸未來”帶來演講《火箭心，陜西造》。

梁毅辰在演講現(xiàn)場

以下是梁毅辰的演講節(jié)選：

俄國火箭專家齊奧爾科夫斯基曾說，固體燃料火箭不適合航天飛行，要想航天，只能用液體燃料火箭。

不過，這個說法在當(dāng)時那個年代沒什么問題，因為當(dāng)時固體火箭太弱了。而如今，人類已經(jīng)成功地使用固體火箭把衛(wèi)星送上了天，無論是航天飛機還是SLS（太空火箭發(fā)射系統(tǒng)），都離不開固體火箭的幫助。

固體火箭和液體火箭的差別在哪里？

固體火箭和液體火箭的差別在哪里？這要從它們的構(gòu)造說起。

其實，只要是火箭發(fā)動機，不管是液體發(fā)動機還是固體發(fā)動機，都要把氧化劑和燃燒劑放在一個空間里點燃，這樣就會產(chǎn)生大量的燃?xì)猓咳細(xì)鈬姵龇礇_來獲得動力。

不同的是，在液體火箭里，氧化劑和燃燒劑是分開放的，而且這兩個都是液態(tài)，需要首先把它們送進燃燒室混在一起再點燃。而固體火箭不一樣，固體火箭里面的氧化劑和燃燒劑，是直接混合在一起，凝固成為一個固體，在需要的時候直接點著就可以了。

因為燃料需要做成固體，并且要容易加工和容易存放，所以固體火箭的燃料里除了氧化劑和燃燒機，還要加粘合劑、增塑劑、固化劑、抗老化劑、穩(wěn)定劑等等，這就意味著，固體火箭帶的燃料里，并不是所有成分都是用來燃燒的。

而且，即使是氧化劑和燃燒劑，也不能亂使用。第一，不能選“即使加了粘合劑也不可能變成固體”的成分，比如氫和氧。第二，不能選那種“混在一起不用點火直接就能著”的成分，比如偏二甲肼和四氧化二氮。一來二去，固體火箭的效率就不那么高。當(dāng)然，隨著技術(shù)發(fā)展，也出現(xiàn)了各種先進的固體燃料，讓固體火箭的效率直線上升，但依然沒辦法超過主流的液體火箭。

如何衡量火箭的性能？

說到火箭的效率，這就涉及到另外一個衡量火箭性能的標(biāo)準(zhǔn)，那就是比沖。

所謂比沖，就是指火箭燃燒一定的燃料能夠產(chǎn)生多少沖量。這里可以類比一下汽車的百公里耗油量，比沖越高，意味著這個火箭越省燃料，效率越高。通常固體火箭的比沖要比液體火箭低。

而且，固體火箭還有一個問題，就是推力不像液體火箭那樣容易控制。液體火箭的燃料就像水龍頭里的水，閥門開大點，就多點，推力就猛點，閥門開小就少點，推力就弱點，想要關(guān)機，咔，閥門擰死，就關(guān)了。

固體燃料可就不一樣了，一旦點著，就沒那么容易熄滅了，而且也沒法隨時控制燃料的多少。這種情況下，只能用固體燃料的形狀來控制推力。

固體火箭發(fā)動機外面有一個殼子，里面裝著燃料，后面是個噴口，而推力的控制一般就是靠藥柱的形狀。

對于固體來說，燃燒面積越大，燃燒速度越快，就像煤面兒燒起來要比燒煤球快得多。所以，如果是一個圓柱體藥柱從頭燒到尾，那么燃燒速度基本從頭到尾一樣，推力也變化不大，這種就是最簡單的額端燃式，也就是從一端開始燃燒。

我們還可以設(shè)計藥柱的形狀，讓它從外往里燒或從里往外燒或兩邊同時燒，隨著燃料燃燒，燃燒面積會變化，燃燒速度和推力也會隨之變化。比如翼柱型裝藥，剛開始燒的時候，燃燒面積很大，燃燒速度快、推力大，但是燒著燒著，燃燒面積就只剩下周圍一圈，推力就變小了，這種固體火箭發(fā)動機一般都是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上用，因為起飛時需要很高的推力來趕快加速到控制系統(tǒng)可以起控的速度，等到速度加上去了，推力就沒有必要那么大了，而且這時候因為燒了一部分燃料，重量也輕了一些，所以就需要推力小一點，燒得慢一點，因此推力就得設(shè)計成前面大后面小。

固體火箭的優(yōu)勢？

說了半天，我們還是要說下固體火箭的優(yōu)勢。

液體火箭需要的準(zhǔn)備時間比較長。因為必須得在發(fā)射之前，先把燃料灌注到燃料箱里面。這個加注燃料的過程，少則幾十分鐘，多則幾個小時，對于戰(zhàn)術(shù)行動來說，容易耽擱時間。

那么，能不能讓燃料一直就在燃料箱里面待著呢？也不太能。比如目前最常見的液體火箭燃料組合一般有偏二甲肼系列，屬于常溫推進劑，比較方便存放，所以目前液體火箭或?qū)椨玫囊话闶沁@種。但即便如此，還是不能提前把它們放進導(dǎo)彈，因為具有很強的腐蝕性，而且劇毒，漏了不是小事兒。再比如低溫推進劑的液氧煤油，里面的液氧溫度要低于零下183度，這就給儲存帶來了難度，一旦灌進火箭，就得不停給它降溫，而且一邊灌，它會一邊蒸發(fā)，我們還得一邊補。

而固體火箭雖然比沖小，推力控制不方便，但好處是可以提前造好放在那里，想點立刻就點，所以特別適合戰(zhàn)術(shù)行動。也特別適合于戰(zhàn)略導(dǎo)彈。

另外，與液體火箭相比，固體火箭還有一個優(yōu)勢，就是可以更容易地爆發(fā)出更大的推力。這與液體火箭發(fā)動機的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜有關(guān)。固體火箭可以相對簡單地通過加大燃料的燃燒面積以及殼體與尾噴管的強度來提升推力，而液體火箭不僅需要維持燃燒室里面的燃燒穩(wěn)定，還需要更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來輸送燃料，現(xiàn)在，世界上早就已經(jīng)有了單臺推力超過1000噸的固體火箭發(fā)動機，而目前推力最大的液體火箭發(fā)動機推力也不過800多噸。

作者丨梁毅辰 西安航空學(xué)院講師

審核丨周炳紅 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員