固体运载火箭具备成本低、结构简单、维护操作方便和发射准备时间短等特点,可满足快速响应发射以及低成本发射的需求。然而,美国固体运载火箭从固体洲际导弹衍生而来,而日本的固体火箭更是从铅笔火箭起步,因此在发展的早期,固体火箭的运载能力并不大,在大中型载荷的发射上无法和液体运载火箭媲美。
随着固体火箭动力等技术的进步,固体运载火箭不仅快速响应发射能力更强,在保持低成本高可靠性等优点的同时,运载能力也逐步增大,让固体火箭具备了更大的优势,开始蚕食中等卫星载荷的发射市场。
米诺陶VI火箭的极地轨道运载能力超过1.8吨,织女星-C固体火箭的运力更是高达2.3吨;而商业发射市场上备受青睐的印度PSLV液体火箭,即使是加长型PSLV-XL火箭同等轨道的运力也只有1.75吨。也就是说,米诺陶VI和织女星-C大型固体火箭的运载能力,已经超过了印度PSLV以及中国长征二号丁火箭(700千米太阳同步圆轨道的运力为1.2吨),尤其是织女星-C火箭的运力甚至和长征四号乙火箭相当(太阳同步圆轨道2.5吨)。随着卫星技术的全面进步,低轨道上小卫星的性能已经相当强大,例如法国遥感星座昴星团(Pleiades)的NEO卫星装有1.3米口径的相机,分辨率提高到0.3米,但它们的发射质量只不到1吨,最终选择用织女星火箭来发射。
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织女星火箭整流罩中的昴星团NEO卫星
总而言之,新一代大型固体运载火箭的运力足以满足绝大部分极地轨道发射需求,结合织女星固体火箭2200~2500万欧元的发射价格,大型固体火箭在商业市场上具备了不错的竞争力。
固体运载火箭和固体弹道导弹一脉相承,但现代固体火箭的廉价发射成本,并非简单的固体导弹再利用,更是从设计到制造不断进步的结果。日本Epsilon火箭大量使用自动检测技术,自动化水平的提高缩短了发射准备时间,减少了工作人员数量。现代固体运载火箭还和大型固体助推器共同发展,日本Epsion火箭和欧洲织女星火箭第一级发动机技术都源自捆绑式火箭的大型固体助推器,印度SSLV火箭运力不大但和大型固体导弹共用第一级固体发动机,通过共享技术和生产线摊薄成本,显著降低固体火箭的综合成本。
发展大固体火箭,难点在哪里?
欧空局的织女星系列火箭代表了大型固体火箭发展的方向,但物美价廉的大型固体火箭研制并不简单,最重要的拦路虎就是大型固体火箭发动机的研制了。俗话说的好:航天要发展,动力要先行。不论是液体还是固体火箭,发动机的研制都是火箭研制最重要的核心要素。
固体火箭发动机虽然看起来简单,但高性能的固体发动机研制难度很高。固体火箭发动机主要涉及高能/高比冲推进剂,高性能壳体,低密度喷管扩张段等多项技术,对于固体运载火箭来说,虽然对推进剂比冲,壳体和喷管的减重指标要求较低,但对发动机推力提出了更高的要求。即使是捆绑式的固体火箭助推器,推力也普遍达到了百吨级,而作为固体运载火箭的起飞级动力,更是要求数百吨甚至更大推力的固体发动机。为了满足固体发动机大推力的研制要求,工程师们主要采用两种方法增大推力,其一是加粗发动机直径,大直径的固体火箭发动机推力更大;其二是研制分段式发动机,多段串联加长成倍提高推力。
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用于阿里安-6和织女星-C火箭的P120大型固体发动机
然而无论是加粗还是加长,都不是轻而易举的事情。固体火箭发动机深受燃烧不稳定的困扰,固体推进剂成分多、反应复杂,难于实验模拟,对燃烧不稳定的产生也没有准确的预测方法。而直径越大、长度越长的固体发动机,其燃烧不稳定问题就越棘手,需要付出很大的努力积极克服。另外,大直径固体发动机的药柱浇筑问题相当棘手,对于分段式发动机来说,分段对接技术和点火技术也是需要攻克的难题。