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导语：
在传统印象中，谈到液体运载火箭的形象往往是又高又大，而固体运载火箭的身型则显得瘦小许多。而在2021年末一款名为“力箭一号”的火箭完成箭地合练，跻身为目前全球起飞质量最大固体运载火箭，也打破了对固体运载火箭体型的固有印象。它究竟是一型什么样的火箭，整体水平又处在同类火箭什么位置？
尽管早期航天运载火箭的起步是从液体火箭开始，并将人类第一颗人造卫星、第一艘宇宙飞船送入太空，开启了宇宙新纪元。但就技术原理而言固体火箭由来已久：早在宋代，人们用黑火药为推进剂做出了最早的固体火箭，而衍生到今天孩子们过年玩的“窜天猴”“二踢脚”，也算与现代固体火箭同宗同源。
现代固体运载火箭与古代的火箭乃至今天的“二踢脚”一样都是利用固体推进剂点燃，经膨胀产生推力而一飞冲天
固体运载火箭在航天运用发展虽晚，却有独特优势：与结构复杂的液体火箭相比在可靠性方面具有先天优势；由于固体推进剂在生产时即预装填进发动机内，省却了燃料加注，火箭运至发射场测试完成后即可实施发射；此外，固体推进剂化学性能更稳定，可长期存放。
与液体火箭复杂的管路结构相比，固体火箭结构之简洁可见一斑
而近年来随微电子技术的发展，卫星也越做越小，各种立方星、微小卫星概念火爆，各种商业小卫星提供精准、快速的组网和补网发射服务的需求也越来越旺盛。固体运载火箭使用便捷、发射周期短、对发射基础设施依赖少等特点较好迎合了此类需求，更有一些航天领域新兴国家因此选择从固体运载火箭起步，由此带动了国内外固体运载火箭的发展：自本世纪以来，仅中国航天“国家队”即先后推出了“开拓者”、“快舟”、“长征十一”、“捷龙”系列运载火箭，“谷神星一号”“双曲线一号”“朱雀一号”等各类民营火箭公司的固体商业火箭也层出不穷。
旗下的“快舟”系列火箭首先开启了我国“低成本、高可靠性、高入轨精度”的商业航天发射服务新时代
相比而言，负责“力箭一号”（又名“中科一号”）研发的北京中科宇航探索技术有限公司于2018年末方才成立，在中国航天工业中属后起之秀。而这样一款火箭又有何特点，有信心在早已火爆且竞争激烈的固体运载火箭市场中脱颖而出？
操作猛如虎，也要追求更耐久虽然固体火箭在商业小卫星快速发射任务时优点诸多，但繁荣的市场也难掩“月之暗面”：固体燃料一旦点燃即停不下来，不像液体火箭可通过控制燃料注入、选择关机/启动来改变推力大小、延长工作时间，关机点速度也不如液体火箭。通常而言固体火箭较液体火箭工作时间短、比冲低，进而影响到火箭推重比。
与固体火箭发动机（上）相比，液体火箭发动机（下）对推力的掌握更加随心所欲，从而获得更持久的工作时间
而在此背景下，身为固体运载火箭的“力箭一号”无疑是逆潮而动：理论上，化学能火运载能力越强、载荷比越高，单位发射成本越低。因而面对未来更大的市场规模、更多的发射频率、更低的成本要求，包括国内整个民营火箭行业都在加紧研究液体火箭。想在一众商业运载火箭中突出重围，提高火箭效能，首先就需要解决固体火箭发动机工作时间较短的。
由于固体火箭推进剂燃烧生成的燃气通过燃烧室中的装药通道从喷管高速排出。要想实现固体火箭发动机推力大范围调节，主要有改变喷管喉部面积和改变燃面两种方式，因前者无法最大化效率利用固体燃料燃烧，“力箭一号”选择通过改变燃面方式实现推力调节：装药结构燃烧面积越大，则产生的推力越大，反之，越小，对于燃烧面积的控制主要就是对装药结构形状的控制，为此“力箭一号”的研发团队设计了一种带有碳——碳复合材料与化学气相沉积钨相结合的中心调节锥，并配合燃面比可调的固体火箭发动机装药结构，以根据飞行状况中的实际的需要来控制调节推力的大小，进而实现延长发动机工作时间的目的。
“大”，才能“力”出奇迹另一方面，因单一整体燃烧室的固体火箭发动机燃料药柱构型与火箭长径比受控制系统限制的矛盾，装药量较为有限，而难以进一步提升推力。这也使得固体运载火箭在单次任务达到一定规模重量后，运营成本反而逊于液体火箭并掩盖了其他优势：目前国内大部分固体火箭运载能力集中在数十到500千克范围，距未来星座组网的运力需求相差甚远。尽管“力箭一号”相比前辈们相比性能有长足提升，达到近地轨道2吨、700KM高度SSO轨道1.35吨级的水平，在固体运载火箭中可谓翘楚，但未来仍有必要进一步提升推力、提高运载能力。
而提升推力最简单的方式就是做“大”:如果单一固体火箭发动机受限技术条件装药量、推力暂难以轻易提升，就把他们串列起来——“力箭一号”的后续型号选择使用在固体运载火箭中极为少见的通用助推芯级（CBC，Common Booster Core）方案拓展运力，以“力箭一号”现有的一级模块三芯并联，使其力量倍增：其运载能力提升到700KM高SSO轨道3.55吨水平，也超过欧洲航天局研发的“织女星C”大型固体运载火箭700KM高SSO轨道2.2吨运力，甚至高于目前我国“长二丙”、“长四乙”和“长四丙”等现役中型液体运载火箭。
“力箭一号”（中科一号）火箭及其未来拓展型号，通过CBC构型可将火箭运力成倍提升
也正因为上述技术的应用，“力箭一号”及其拓展型号的运载系数在固体火箭中位列，实现近地轨道运载系数超1%，700千米SSO轨道的运载系数接近1%的水平，比日本艾普斯龙固体运载火箭的0.5%高得多，并与欧美研发的“织女星”、“米诺陶4”处同一水平。这也使“力箭一号”成为性价比国际领先的固体运载火箭，并与一众液体火箭竞争未来商业发射市场的底气所在——目前国内外现役固体运载火箭的发射价格约为10-14万元/kg，而“力箭一号”的目标发射价格则进一步压低到7万元/kg，可谓目前固体火箭中最低廉的发射成本。
告别“托塔天王”，便捷发射的秘密在这里传统火箭的全箭检测在高耸复杂的发射塔架上进行，并在离塔架有一段安全距离的后方指控大厅内，按照单机设备、舱段、整箭的顺序逐步进行测试发射控制和测试数据判读，即而增加了维护复杂性与发射环节、延长了火箭发射周期。而这对商业发射任务而言，既延缓了有关载荷尽早上天创造效益，更增加了场地设施占用租金、抬高了发射成本。
为此“力箭一号”使用了地面测发控和箭上航电一体化设计：火箭近端、远端通信子系统均采用无线收发模块，通过无线网通信连接，利用无线收发模块传输多种信号，从而减少了电缆铺设和配套设备，降低了设施成本，并且简化了地面测发控通信系统的设备组成，提高了系统集成化程度。使得“力箭一号”甚至可以做到仅用笔记本电脑即可远程控制发射，进而降低了发射工位需求。
此外，与我国许多新一代中小型运载火箭一样，“力箭一号”通过采用水平整体测试、水平整体星箭对接、水平整体运输起竖发射的“三平技术”。特别是水平整体测试的运用，使得力箭一号将传统运载火箭，将发射塔架和后方指控大厅内的一整套测试、通讯、数据处理与判读设备进一步集成，把工序前移至技术区厂房内的若干个电气性能测试的前后端电气方舱、动力控制方舱，以及接收火箭无线遥测信号的测量方舱之中、在水平状态下进行，改善了火箭维护环境以压低故障率。也进一步缩短了发射准备时间，实现“一周内”完成发射，减少了发射场租金成本。
动图来源：企鹅号“广州南沙发布”
固体火箭“南沙造”，串起商业发射产业链“力箭一号”不仅在产品力本身下功夫，更放眼产品背后优化产业链、缩短周期、降低成本，以提升该火箭在行业中的竞争优势。
由于传统的火箭制造上仍然以定制化为主，很少有先把火箭生产出来，然后再拿到市场去销售，即便有预投产，只是把部件做出来，但是具体到每一级产品都是为特定的顾客定制的。产品本身乃至下游零部件货架化的程度非常低，比如火箭每一级无法单独测试，只能全箭对起来才能进行测试，整个产业链也依靠传统分工来配置。这也影响到火箭的经济性与背后研发生产企业的市场竞争力。
为此“力箭一号”则在火箭生产、测试的集成化、通用化、模块化等方面下功夫：通过研究和建立开放式、信息化的全寿命周期质量管理体系，大幅降低过程控制成本；在生产环节打造面向社会的集成供应链，基于工业级原材料元器件的筛选、检验与质量控制方法，大幅降低采购源头成本、提高生产效能——未来配合建于广州南沙的中科空天产业基地，可实现年产30发产能；以去任务化的总装集成测试，通过测发流程优化，配合深度自适应数据判读技术，实现一键无人测发能力，并使得“力箭一号”的各分段可以单独测试，在装配起来之后只对与发射任务相关的项目进行集中检查，这就如同我们买家电一样，按需购买回家去调试一下，换一个地方就可以使用。
“力箭一号”将聚集起国内首个全产业链商业航天产业基地 （图源：企鹅号“广州南沙发布”）
结语：
随着商业火箭的蓬勃兴起，轨道发射服务将逐渐市场化，未来商业航天市场绝对不是低成本的比拼和低水平的重复。而“力箭一号”则试图走出与前辈不一样的道路，并将同我国其他新一代运载火箭，在火箭可靠性、运载能力及综合性能上进一步缩小与航天强国的差距。未来已来，我们拭目以待。
参考文献：
[1] 中国日报中文网：中科宇航向世界最大固体火箭发起冲击[EB/OL].https://new.qq.com/omn/20201219/20201219A0DFQA00.html，2020-12-19
[2] 赖谋荣;布向伟;张翔;樊鹏飞;史晓宁;李秦峰;杨毅强：一种推力可调固体发动机及其中心调节锥[P]；2020.
[3] 陈龙 .“三平技术”让七日发射梦想成真[N]；中国航天报，2015，9
[4]杨毅强. 运载火箭的产业化之路[C]；卫星与网络，2019，09,007.
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