关注·碳纤维复合材料助力中国造出世界直径最大的火箭发动机
本文摘要：（由ai生成）
中国航天科工集团四院成功试车500吨级推力商业航天固体运载火箭，刷新世界纪录。该火箭直径超过4米，技术领先，标志着我国大推力固体运载火箭关键技术取得重大突破，有望大幅提升我国航天发射能力，降低发射成本，成为全球航天领域的重要力量。
来源：世界先进制造技术论坛
2019年04月25日，国内外媒体纷纷报道，由中国航天科工集团有限公司所属的武汉航天三江集团（又称航天科工集团四院）自主研制的500吨级推力商业航天固体运载火箭（第一级，减装药状态）地面试车于近日取得圆满成功，标志着我国大推力、高质量比固体运载火箭关键技术取得重大突破。
据航天科工集团有关部门介绍，该固体运载火箭（一级）是当前我国直径最大、推力最大的固体运载火箭。据公开资料披露，这款由中国航天科工集团四院研制的固体火箭发动机，其直径超过4.2米（另一说法是4.5米），大幅刷新了商业航天固体火箭发动机直径的世界纪录，居于世界领先水平。
而此前的直径纪录由美国退出现役的航天飞机（一对）固体火箭助推器：SRB保持，其最大直径为3.7米 ，为航天飞机和主液氢燃料箱提供2X1200吨的起飞推力。
由于我国的固体运载火箭发动机早期主要用于军事用途，大型固体火箭发动机的公开资料很少，独立军事观察家只能根据其有限资料对其发展历程做一简介。大型固体火箭发动机虽然研制时间要晚于液体火箭发动机，但其具有的推力大、结构简单、可靠性高、研制周期短、可实现性强等优点，使之不仅在各种战略战术导弹上占据主导地位，也已广泛应用于发射各种航天载荷的运载火箭上，来满足各种航天应用需求。
以美国为首的西方国家早在上世纪60 年代就开始应用大型固体火箭发动机作为大型、重型运载火箭的助推器，并广泛应用在“大力神”系列运载火箭、“宇宙神”系列运载火箭、航天飞机可重复使用航天器、以及为重返月球而最新研制的“战神”系列运载火箭上。
实际上，在20世纪6、70年代美苏登月竞赛的高峰期，美国曾不计成本的研发出一种直径达6.6米的AJ-260固体火箭发动机，其单台最大推力已经超过了3000吨，并已成功的进行了3次地面点火试验。由于其推进剂和发动机壳体是一体化浇铸，总重超过了1600吨，运输及维护其不便。随着5台并联，每台推力达680吨，用于“阿波罗”登月计划的土星五号火箭的F1液氧煤油发动机研制成功，AJ-260很快就被“打入冷宫”而弃之不用，但也从另一方面说明当时美国雄厚的科技实力和技术储备。
由于我国的大型固体火箭发动机技术在早期比较落后，所以长征系列大推力运载火箭的第一级及助推器很少采用西方国家常用的固体火箭发动机技术，而是采用外国已经放弃的剧毒偏二甲肼液体燃料火箭发动机。直到20世纪末、21世纪初我国的的东风21型、东风31型、巨浪1型、巨浪2型固体机动/潜射中远程洲际弹道导弹获得突破以后，我国相关部门才开始重视固体运载火箭的发展起来。
在另一方面，随着我国化工工业的飞速发展，高性能固体推进剂和高性能复合材料发动机壳体生产和使用成本不再是制约我国大型固体火箭发动机发展的主要因素。
例如我国的高氯酸铵（一种固体推进剂燃料，广泛用于西方国家的大型固体火箭发动机中）产量2018年已达1.2万吨，2019年还要大幅增长到2.2万吨，居世界首位，并大量向欧美日等国出口，而美国的高氯酸铵产量已从最高峰的3.6万吨萎缩到2017年的2300吨左右，美国国防部五角大楼甚至声称中国（高氯酸铵）的竞争性价格严重损害美国的国家和国防安全。
这些信息充分表明我国的高性能固体推进剂产量足以满足我国大型，超大型固体运载火箭发动机的燃料需求。随着推进剂成本的大幅下降，我国的大推力固体运载火箭的发展进入井喷期，例如航天科工集团四院（ 武汉航天三江集团）固体火箭发动机的竞争对手- 我国的航天科技集团四院（西安航天动力技术研究院）2016 年就完成了直径3米、2 段式、推力150吨的固体火箭发动机地面试验，随后又完成了推力200吨先进固体火箭发动机地面热试车，表明我国已初步具备直径3米级大型分段式固体火箭发动机的研制基础和能力 。
而最新新闻报道的航天科工集团四院研制的500吨推力级第一级固体运载火箭发动机直径超过4米 ，将把快舟系列火箭的近地轨道运载能力由一吨级（快舟11号，预计2019年底发射）提高至二十吨级（快舟21号，预计2025年前发射），在进行多发500吨推力级固体火箭发动机并联改装后，在其基础上研制的快舟-31固体运载火箭近地轨道最大运载能力将达到70吨，和美国私人太空探索公司SpaceX发射的“重型猎鹰”火箭不相上下，其每公斤载荷发射成本声称比其更低，成为世界最大的固体运载火箭。
另外，随着我国碳纤维复合材料技术的突破，大直径复合材料发动机壳体技术已不再高不可攀，我国航天科工集团四院第九总体设计部从2013年开始直径2.2米碳纤维缠绕壳体固体火箭发动机的研制工作，2016年完成我国尺寸最大的碳纤维缠绕壳体固体火箭发动机地面试验，推力达180吨，表明我国已具备大型整体式复合材料壳体发动机的研制基础和能力。
为了大幅降低成本，航天科工集团四院第九总体设计部还和民营碳纤维生产企业合作，研制生产出了直径2.2米、4.5米用于快舟11、快舟21、快舟31固体运载火箭上的的大直径碳纤维缠绕复合材料一体化成型发动机壳体，有效减轻了发动机的消极质量，提高了发动机的推力/质量比。在这些大推力固体运载火箭的基础上，正积极开展起飞总推力达3000吨的世界最大固体运载火箭：快舟41的预研论证工作，用于长征9号超重型液体运载火箭的备份和补充。
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