印度固体火箭发动机是钢壳，中国航天固体火箭水平，也有待提高
转自原作者：东方点兵
绝大部分导弹使用的都是固体火箭发动机。
不过我们今天主要要讲的是固体火箭发动机在航天领域的应用情况，以及中国固体火箭发动机的发展情况。
（印度现在主力火箭使用钢壳固体火箭发动机）
正如标题所说，印度使用的固体火箭发动机是钢壳的。为什么印度要在固体火箭发动机上使用钢壳呢？
钢壳是不是说明技术水平低？我国固体火箭发动机又是用什么材料？待笔者细细说来。
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粘合剂和壳体——固体火箭发动机的关键
首先，我们来了解一下固体火箭发动机的工作原理。固体火箭发动机，顾名思义就是使用固体推进剂作为发动机推进剂的火箭发动机。
目前，固体推进剂主要以复合固体推进剂为主，它包括燃料、氧化剂、粘合剂、铝粉等添加剂在内的多种材料组成。
（固体推进剂）
其中，燃料和氧化剂是固体推进剂的重要组成部分，它们化学反应释放出的能量将会是固体火箭发动机主要的能量来源。
然后是粘合剂，这个不起眼的东西却是固体推进剂里面最重要的成分，甚至固体推进剂的名字都是用粘合剂的名字来命名的，可见其重要性。
为什么粘合剂会这么重要呢？因为固体推进剂中，粘合剂负责把燃料和氧化剂固定成型，这样才能够成为固体推进剂。
这样需要使用的粘合剂分量就不会少，不然就粘不牢燃料和氧化剂，不能形成稳定的固体推进剂药柱。
（HTPB是目前应用最为广泛的粘合剂）
而这分量不少的粘合剂也会参与到固体推进剂的燃烧当中，这时候就考验粘合剂的性能了。
粘合剂要做到能够尽量不影响燃料和推进剂的燃烧，如果可以的话最好粘合剂本身也能作为一种燃料进行燃烧。
这样才能最充分地发挥固体推进剂的燃烧能量，获得更好的固体火箭发动机性能。
所以粘合剂的选择成为了固体推进剂的重中之重，目前在航天领域普遍使用的固体推进剂，使用的是HTPB粘合剂，所以也被称为HTPB推进剂。
除了上面这些成分以外，现代固体推进剂里面还添加有铝粉等添加剂，进一步改善固体推进剂的燃烧情况，提高发动机性能。
（航天飞机发射时，助推器明亮的火焰就是因为里面有铝粉）
相比起使用液体燃料的液体火箭发动机来说，固体火箭发动机最大的不同就是，用来存放固体推进剂的壳体，同时也是固体火箭发动机的燃烧室。
也就是说，固体火箭发动机的燃烧过程，就发生在存放固体推进剂的壳体中。而推进剂的燃烧过程将会产生很高的压力和温度。
这就要求整个固体火箭发动机的壳体能够承受推进剂燃烧产生的巨大压力，所以需要做得很坚固。
这就让固体火箭发动机的壳体，相比起液体燃料发动机的燃料储罐来说要厚实不少，相应地也会重很多。
（固体火箭发动机结构）
那么要用什么材料来制作固体火箭发动机的壳体呢？可能很多人想到的是轻便的航空铝材。
但是铝的熔点不高，没办法直接承受固体推进剂燃烧产生的高温。而且铝的强度也不算很高，要抵挡固体推进剂燃烧产生的高温要做得很厚。
这样一来，如果用铝合金来制作固体火箭发动机的外壳的话，铝合金外壳会做得很厚，才能满足耐高温和高压的需求。
所以在大部分的固体火箭发动机上，使用的都是高强度合金钢，作为外壳的材料。
（钢壳是常用的壳体材料）
因为合金钢强度高，而且熔点也很高，所以只需要薄薄的一层就可以满足使用需求，算下来反而要比铝合金外壳轻。
所以美国航天飞机的4段式助推器、即将发射的SLS火箭的五段式助推器以及欧洲阿丽亚娜5运载火箭的助推器，都是钢壳+HTPB的固体火箭发动机。
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便宜又好用——钢壳固体火箭发动机
钢壳+HTPB是目前航天界主流的起飞级固体火箭发动机组合。
为什么说是起飞级固体火箭发动机的主流组合呢？这就要从固体火箭发动机起飞级的特点说起。
目前，固体火箭发动机起飞级的运用场景主要有两种，一种是芯级氢氧+固体助推的火箭。
（航天飞机影响了80年代的火箭设计思路）
这种火箭是上世纪80年代以后，受航天飞机影响而流行的一种火箭设计思路。
这种火箭的芯级是比冲（也就是发动机工作效率）很高的液氢液氧发动机，可以提高火箭的运力。
但是大部分氢氧发动机的起飞推力，相比于整个火箭来说都不够，会出现飞不起来的尴尬场景。
所以推力巨大的固体火箭发动机就能在这个时候派上用场了。用固体助推器的巨大推力让火箭迅速升空，就能解决氢氧发动机推力不足的问题。
这个设计被不少火箭采用，比如欧洲阿丽亚娜5，日本H-2，美国SLS等。
（阿丽亚娜5火箭发射升空）
在这种火箭设计方案中，固体火箭发动机主要要提供的是强大的推力，而对于固体火箭发动机的效率等要求不高。
所以出于成本考虑，在这些固体助推器上，使用的都是钢壳+HTPB的组合，推力大还成本低。
比如阿丽亚娜5火箭的助推器，推力就达到了720吨，接近液体火箭发动机推力之王RD171的推力。
而在SLS上面使用的五段式助推器，推力更是达到了1600吨，是目前推力最大的火箭发动机。
固体火箭发动机起飞级的另外一个运用场景，是在固体运载火箭上。典型例子就是我国的长征11号火箭。
（长征11号火箭发射）
长征11号火箭前三级都是钢壳+HTPB的固体火箭发动机，第四级是负责精确入轨的液体上面级。
这种固体运载火箭的特点是反应迅速，而且成本要低，这样才能在商业航天发射上占有一席之地。
所以长征11号使用钢壳+HTPB最主要的原因就是成本低，发动机效率相对低的问题可以通过增大发动机的规模来保持运力指标。
长征11号起飞重量58吨，在700公里太阳同步轨道上的运力达到了420千克。
（长征11号火箭性能优异）
这个指标可以说相当不错。同样是固体运载火箭的日本Epsilon运载火箭，96吨起飞重量，同样的700公里太阳同步轨道运力只有225千克。
Epsilon运载火箭三级发动机使用的还是先进的碳纤维壳体，这足以说明长征11号设计的优秀。
讲到Epsilon的碳纤维壳体，我们就来讲讲固体火箭发动机除了钢壳以外，还有哪些壳体材料。
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坚固而轻便——新型壳体材料
我们前面提到，钢壳+HTPB普遍使用在固体火箭发动机的起飞级上，因为起飞级只需要推力大，对效率要求不高，所以使用便宜的钢壳。
如果是对航天有了解的朋友，可能会有一个问题：起飞级使用钢壳，那上面级的固体火箭发动机也使用钢壳吗？
上面级是负责把卫星送入轨道的最后一级火箭，它的性能直接影响着火箭的运力。
比如说，上面级在把卫星送入轨道的同时，自己其实也是跟着卫星一起入轨了。所以上面级每减少一公斤重量，能够送入轨的卫星重量就增加一公斤。
（上面级负责把卫星送入轨道）
所以对上面级进行减重那是相当划算的事情，减下来的每一公斤重量都可以实打实地变成卫星的重量。
而钢壳虽然便宜，但是在上面级这种真正意义上的“斤斤计较”的地方，成本不是第一要素，性能才是。
而目前使用的，比钢壳更先进的壳体材料有两种，一种是玻璃钢，一种是碳纤维。
玻璃钢是一种复合材料，它成本相比起碳纤维来说要更低，而同等强度下又比钢壳要更轻，是一种适中的选择。
碳纤维的成本那可就贵了，但性能也是实打实的好。目前大部分的固体上面级，比如最有名的Star系列固体上面级，使用的都是碳纤维壳体。
（Star系列固体上面级）
碳纤维壳体耐高温，而且强度相当高，重量也很轻，使用碳纤维壳体的固体火箭发动机性能远比钢壳火箭发动机要更强。
这时候可能有人会问，那为什么Epsilon运载火箭使用了碳纤维壳体，性能还这么差呢？
运载火箭是一个非常复杂的产品，火箭发动机性能只是其中一部分，整体设计水平对于运载火箭的性能来说也是相当重要的因素。
Epsilon运载火箭的火箭发动机每一个单独拎出来性能都不错，但是整体设计水平的不足让火箭发动机的性能没能够充分发挥。
所以这就导致了Epsilon运载火箭运力低下。反观长征11号，就是整体设计水平非常不错，拿着普通的发动机性能都造出一个性能不错的火箭。
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成熟而先进——中国固体火箭发动机的发展
讲了这么多，那中国固体火箭发动机现在是什么一个水平呢？
中国使用固体火箭发动机的时间很早，早在1970年中国发射“东方红1号”的时候，长征1号运载火箭的三级就是固体火箭发动机。
（负责把东方红1号送入轨道的就是固体上面级）
到八九十年代，随着DF21、巨浪1等弹道导弹的研发和服役，中国基本掌握了钢壳+HTPB的固体火箭发动机技术。
不过中国这时候很少在运载火箭上使用固体火箭发动机，基本上使用液体火箭发动机作为运载火箭的主动力。
只有长征2号E运载火箭，在几次发射国际商业卫星的时候，使用了美国的Star系列固体上面级。
在90年代，把同步轨道卫星和固体上面级发射到近地轨道，然后由固体上面级把卫星送入同步转移轨道，是当时国际上一个流行的做法。
（长征2号E火箭）
而主打国际商业卫星业务的长征2号E，自然也使用了这种做法。
进入21世纪以后，中国开始研制和使用玻璃钢+HTPB的固体火箭发动机，并且在几种新型东风导弹上得到使用。
比如DF26导弹，据称就是使用这种固体燃料火箭发动机。
不过更多时候，中国固体火箭发动机使用的都还是钢壳+HTPB的组合，无他，实在是太便宜了。
比如DF17导弹的固体火箭发动机，仍然采用钢壳+HTPB的组合，这让一枚高超音速导弹的造价只有2000万人民币，甚至不如一辆99A。
（DF17使用钢壳+HTPB，成本低）
再比如我们前面提到的长征11号火箭，以及另外一款火箭长征6号甲火箭的助推器，使用的都是同一款120吨推力钢壳+HTPB固体火箭发动机。
这里面的主要原因还是便宜。
不过，在一些关键的地方上，我们也绝对不会说吝啬，更不会说没有技术。
比如在HQ9B防空导弹上，使用的就是玻璃钢+HTPB的组合。而据称在DF41导弹上，使用的是碳纤维壳体。
（防空导弹对发动机性能要求很高）
中国碳纤维壳体的技术已经逐渐成熟，而且成本也在不断降低，最有力的证据就是此前试验的500吨固体火箭发动机。
这是世界上推力最大的整体式固体火箭发动机，目前推力比它大的都是分段式固推。
同时，这款固体火箭发动机使用了碳纤维壳体，而它未来的使用对象是捷龙3号甲固体运载火箭的一级发动机。
（500吨整体式碳纤维固体火箭发动机代表了我国固体火箭发动机的最高水平）
用碳纤维壳体固体火箭发动机，去给一个讲究成本的固体运载火箭当一级发动机，这足以说明在中国，碳纤维壳体的成本已经得到很大程度地降低。
同时，中国固体火箭发动机技术除了壳体材料以外，在固体推进剂至关重要的粘合剂方面，中国N15、H16等新一代固体推进剂配方也取得突破。
可以说，中国固体火箭发动机技术，处于世界的第一梯队。