近日，中国航天科技集团有限公司第四研究院（下称航天四院）自主研制的“世界最大推力整体式固体火箭发动机（下称整体式固体发动机）试车成功”入选2021年度中国十项重大工程进展。据悉，该项目曾获得中国航天科技集团有限公司2021年度十大技术突破奖。
固体火箭发动机是一种使用固体推进剂的化学火箭的动力装置，被誉为火箭的“心脏”。去年10月，该整体式固体发动机地面热试车在航天四院西安白鹿原试验区获得圆满成功。这标志着我国固火箭体发动机运载能力实现大幅提升，对推动未来大型、重型运载火箭技术的发展具有重要意义。那么，航天四院究竟在火箭发动机上付出了怎样的努力？又形成了哪些新的研发成果？
勇于创新 突破技术瓶颈
“人类的一切‘飞天’活动首先要摆脱地球引力的束缚。我们用运载火箭作为航天活动的主要工具，而发动机则是火箭的心脏，是其产生推力、摆脱地球引力的源泉。”固体运载动力团队总设计师王健儒介绍，大推力固体发动机是火箭实现大起飞推力的核心之一，发动机的推力越大，火箭的载荷及飞行距离就越大。固体发动机具有结构简单可靠、易实现大推力、操作维护方便、无依托和质量比高等优点，对于简化火箭构型、降低系统复杂度、减少靶场操作维护工作意义重大。
为此，航天四院于2008年成立了固体运载动力团队，队员平均年龄不到35岁。十几年间，他们不断挑战困难、勇于突破创新。直径从2米到3米再到3.5米，推力从120吨到200吨再到500吨，固体发动机的指标和性能被不断刷新。
直径3.5米/500吨先进整体式复合材料固体发动机，是团队的最新研发成果。在研发过程中，由于发动机的尺寸规模增大、装药量大幅增加，大部分原有的设计方法、设计理论与成型工艺不再适用，致使研制技术与工艺面临着重重挑战。
“在该发动机上，我们首次采用全数字化设计与管理，针对大型固体发动机存在的燃烧、流动与热结构等设计难题，大胆地尝试新的结构、方法和技术。”王健儒表示，“严慎细实”四个字已经印刻在每一个团队成员的骨子里，不会倚仗经验丰富而有丝毫大意。在金属结构、纤维缠绕复合材料、装药等工艺方面，团队面对各种技术难题，正琢反磨，攻克了高性能纤维复合材料壳体、高装填整体浇注成型燃烧室、大尺寸喷管喉衬结构设计成型与仿真技术等核心技术，通过一系列工艺试验，获得了相关工艺的宝贵参数。
最终，从2020年启动研制到该发动机地面热试车，团队只用了十几个月，便成功研制出目前世界上具备工程使用能力的直径最大、装药量最多、推力最大的整体式固体发动机。
步步为营 再上一个台阶
在推进整体式固体发动机研发和在分段式固体火箭发动机（下称分段式固体发动机）上，团队探索的脚步也从未停歇。王健儒介绍，正所谓“整体打基础，分段再提升”，分段式固体发动机充分利用了“整体和部分”的原理，完美平衡了“性能需求”与“研制运输能力”的矛盾，是固体发动机推力走向更大、性能走向更强的必然选择。
相较于整体式固体发动机，团队在分段式发动机的研发上，面临着更多挑战。尤其在分段对接结构成型精度控制与可靠连接方面，由于没有成熟的经验可以借鉴，团队便边摸索边攻关，进行了大量的仿真计算，开展数次研究与沟通协调。
据悉，分段式发动机需要单段绝热、单段浇注，燃烧室单段研制成型再组合成整体燃烧室，同步烧蚀。由于缺乏实际的对接经验，团队只能根据数据和设计经验对发动机的状态做出判断。为了准确判断发动机状态，设计师需要对发动机内部燃烧室对接处的缝隙进行测量。然而，设计师无法亲自进入发动机燃烧室。团队的研究一时间陷入了困境。关键时刻，设计师陈宏灵机一动，竟想到用一块橡皮泥解决问题。团队将橡皮泥放进接口，对接完后只要将橡皮泥取出进行测量，就能得到准确数据，成功解决了这一难题。
短短几年时间里，研制团队成功攻克了多项重大关键技术和诸多技术难题，形成了一套完整的分段式固体发动机设计与分析方法，相继开展了直径1米/2分段，2米/2分段，3米/2分段，3.2米/3分段式固体发动机地面热试车试验，均取得圆满成功，实现了分段式发动机从无到有、从小到大，不断刷新着我国固体发动机研制的纪录。
“在整体式及分段式固体发动机上，我们已经提交了30多件专利申请，其中20余件专利申请已获得授权，涉及大型发动机内弹道精确预示方法、大型发动机无损检测方法、大型发动机内外流场仿真方法等多项核心技术，涵盖了设计、制造、测试和试验等发动机全周期。”王健儒表示，在重点技术领域，团队进行了多维度的专利布局。同时，团队将着力打造高性能、高可靠、低成本的固体发动机，带动相关设计、材料、工艺、制造等技术的发展，满足未来运载火箭总体和商业发射的市场需求。（刘弘一）
（编辑：晏如）
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