中央紀委國家監委網站 于露
在試車臺工位等待試驗的500噸整體式固體火箭發動機。
近日，由我國自主研制的目前世界上推力最大的整體式固體火箭發動機在中國航天科技集團有限公司第四研究院試車成功。據了解，該發動機直徑3.5米（3.5m），推力達500噸（500t），并且運用了多項先進技術，綜合性能達到世界領先水平。
500噸的推力究竟有多大？發動機有這么大的推力都可以干什么？3.5米的“腰圍”、“皮薄餡兒大”的燃燒室、超大尺寸噴管……除了推力大，這個“大力士”還有什么了不得的地方？這堂極簡科學課，讓我們聽聽航天科技集團四院四十一所固體運載動力技術研究室主任、Φ3.5m/500t先進固體發動機技術負責人白彥軍怎么說。
問題1：500噸推力具體是個什么概念？試驗的成功對我國運載火箭技術的發展有什么重大意義？
白彥軍：推力的標準單位為N，即牛頓，500噸推力轉化為牛頓為4900000N，即4900kN，相當于2450匹馬的拉力。與之對比，波音777客機運用的一款發動機在測試中達到的推力為569kN。
人類的一切“飛天”活動首先要擺脫地球引力的束縛，航天活動的主要工具是運載火箭，而運載火箭的關鍵就是發動機，它是火箭的心臟，是火箭擺脫地球引力的“推力”產生的源泉。發動機的推力越大，火箭的載荷和能達到的距離就越大。
大推力固體發動機是運載火箭實現大起飛推力的核心之一，同時，由于固體發動機具有結構簡單可靠、易實現大推力、操作維護方便、無依托、可長期貯存等優點，對于簡化運載火箭構型、降低系統復雜度、減低靶場操作維護程度意義重大。
基于3.5m/500t推力固體發動機，利用分段對接技術，我們能快速將推力提升到千噸級以上，可應用于大型、重型運載火箭固體助推器中，以滿足我國空間裝備、載人登月、深空探索等航天活動對于運載工具的不同發展需求，為建立完善的航天運輸系統提供更加強大有力的動力支撐。
問題2：剛才您講到了固體發動機的優勢，實踐中，有的大型火箭配備的是液體發動機。選擇什么樣的燃料給火箭助力，這里面什么講究嗎？
白彥軍：固體火箭發動機和液體火箭發動機統稱為化學類火箭發動機，依據燃料形式不同分為固體和液體。二者的優點和缺點都相對突出，固體發動機的優勢我剛才提到了，但是它也存在推力調節相對困難、比沖（單位推進劑的量所產生的沖量，是用于衡量發動機效率的重要物理參數——編者）偏低、工作時間偏短等不足。
液體火箭發動機推力調節容易、比沖較高、工作時間較長，但是結構復雜、大推力實現難、操作維護復雜、長期貯存性差。
將神舟十三號載人飛船送入預定軌道的長征二號F遙十三運載火箭，逃逸塔采用的是固體發動機。
固體發動機和液體發動機之間是功能互補的關系，因此，使用液體芯級配合固體助推就可以充分發揮兩者的優點。當然，采用固體還是液體，還需要綜合考慮火箭的具體構型、具體要求、研制目的，以及一個國家的發動機能力與技術等因素。
問題3：據了解，火箭發動機的研發一般分為“整體”和“分段”兩條技術路線，整體式固體發動機和分段式固體發動機各適用于什么樣的場景？
白彥軍：對于大型固體發動機而言，增加推力就必須增加裝藥體積。固體火箭發動機燃燒室一般是圓柱型的，增加裝藥體積有兩條途徑，一是增加燃燒室直徑，二是增加燃燒室長度。不管是燃燒室直徑和長度，必須與研制能力、鐵路公路海路運輸要求、操作維護和工程使用等相互匹配。
固體火箭發動機向試車臺轉運途中。
當設計的固體發動機參數滿足上述條件，我們一般就選擇整體式固體發動機。本次試驗的直徑3.5m/500t推力整體式固體發動機對于鐵路而言屬于二級超限，是可以運載的最大直徑。對于公路而言，該發動機加上運輸車、運輸托架等綜合高度約4.3米，按照我國高速橋梁限高一般在4.5米也是可以運輸的。
分段式發動機示意圖。
當設計的固體發動機參數不滿足以上部分條件時，我們就可以采用分段式固體發動機。分段就是指將發動機燃燒室分為若干段，每一分段單獨進行生產，之后再通過分段對接技術將每段燃燒室對接起來形成燃燒室。
分段主要是為了滿足未來更大推力固體發動機的研制,本次完成試車的直徑3.5m/500t推力固體發動機通過分段對接技術，就可以形成直徑3.5米的3分段、4分段、5分段式固體發動機，推力可以覆蓋1000噸至1500噸，甚至更大。
在分段式發動機設計上，工程師們一般會設計一節標準的中間段，通過中間段數量的調整對裝藥量進行調整，進而實現不同臺階推力的覆蓋。
問題4：據報道，此次試車成功的發動機運用了多項先進技術，如“高性能纖維復合材料殼體”“高裝填整體澆注成型燃燒室”“超大尺寸噴管”，這些技術究竟厲害在哪里，能不能為我們的讀者詳細介紹一下？
白彥軍：固體火箭發動機燃燒室就像一個餃子，燃燒室的殼體就是“餃子皮”，里面裝的藥就是“餃子餡”。跟餃子一樣，固體發動機也是“皮越薄、餡兒越大”越好，因為這樣發動機的“質量比”才會更高。“質量比”是發動機裝藥量與發動機總質量的比值，“質量比”越高，火箭能獲得的速度就越大。傳統固體發動機使用鋼作為殼體材料，而本次試車的發動機殼體采用了碳纖維復合材料，它的強度是鋼的3倍以上，密度卻只有鋼的1/5，使得殼體真正做到了“薄而輕”。這過程中，我們攻克了殼體的設計、纏繞芯模、纏繞技術等多個技術難關。
點火試車過程中的固體火箭發動機。
大型固體火箭發動機燃燒室一般采取澆注成型，這和我們日常所見的鑄造差不多，不過這個過程比日常的鑄造復雜和艱難得多。燃燒室設計上有一個指標稱為“裝填比”，也就是裝藥體積和殼體自由容積之比，“裝填比”越高，表明殼體空間利用率越高，這對提升固體發動機“質量比”意義重大。如何在有限的空間內裝下盡可能多的推進劑，且要滿足工作時間等指標要求和確保結構在復雜工作環境下不破壞，是我們的工程師們關注的焦點和努力方向。
噴管是固體發動機能量轉換的關鍵部件，通過噴管作用，發動機裝藥燃燒產生的熱能就轉化為推動火箭前進的動能。喉襯是噴管工作環境最惡劣的部位，除了承受高溫、高壓作用，還要承受每秒約1900千克的質量流出。因此，固體發動機喉襯設計與材料選用非常關鍵。我們的設計師在3.5米固體發動機喉部設計時非常慎重，采用創新成型方法實現了大尺寸喉襯的研制成型，并通過精細化仿真獲得了喉部不同部位的工作環境參數，本著“按需設計”的原則做到材料的“按需使用”，確保“好鋼用在刀刃上”。
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固體火箭發動機專業研究哪家強？
航天科技集團四院固體運載火箭發動機研制團隊。
中國航天科技集團有限公司第四研究院成立于1962年7月1日，是我國歷史最久、水平最高、實力最強、規模最大的固體火箭發動機專業研究院。主要承擔我國運載火箭、戰略戰術導彈、衛星、載人飛船等航天產品固體發動機的研制、生產、試驗任務，以及在該領域內的國家重大技術創新和預先研究任務。該院是軍委裝備部火箭發動機及推進劑專業組組長單位，也是國防科工局“十五”、“十一五”確定的唯一的固體發動機統籌建設單位。
（本文圖片由中國航天科技集團有限公司第四研究院提供）