固液混合探空火箭的研制之路——十年磨一“箭”

6月10日，在西北工业大学航天学院固体推进全国重点实验室，几名学生在装配一台固液混合发动机。他们期待在几个月后的发射试验中，自己的科研设想能得到充分验证。

从2020年首飞时的“粗胖试验品”到如今模块化组装的“苗条箭体”，从燃烧效率不足60%到燃烧效率达95%，西北工业大学航天学院青年教师刘林林带领科研团队用10年时间闯出了从新型含石蜡燃料创制到固液混合发动机研制，再到固液混合探空火箭集成的创新之路。

这背后是近千次燃料配方试制、50多种工艺迭代、200余次发动机地面热试车的艰难跋涉。

■ 600多次尝试创制“中国配方”

2015年，刚刚博士毕业、留校任教的刘林林决定攻关固液混合发动机时，面对的是一道世界难题。

固液混合发动机以固体燃料和液体氧化剂作为推进剂，是一种极具应用前景的航天动力装置。但是，推力不足是长期制约其发展与应用的技术瓶颈。当时，石蜡燃料虽是解决该问题的最有效技术途径，但存在“见热就化、受力就碎”的致命缺陷。

瞄准难题，刘林林开始尝试通过将石蜡和高分子黏合剂共混制备新燃料。在近两年时间里，他尝试了600多种燃料配方和50多种工艺，以石蜡和少量黏合剂为主要原材料成功创制了高性能含石蜡燃料。经测试，该燃料具备燃面退移速率高、力学性能优异、价格低廉等优势，成为综合性能水平国际领先的“中国配方”。

受到鼓舞的团队2017年起开始攻克固液混合发动机燃烧效率低的技术难题。通过一次次改进优化设计，他们将燃烧效率由原来不足60%提升至95%以上。

刘林林没有止步。2019年9月，刚一开学，他就在组会上对一名研究生说：“发动机研究是为了应用，我们能不能做一个‘能飞起来’的发动机，哪怕像二踢脚那样只飞起来也是值得的！”

瞄准发动机工程应用，团队又开始攻关下一个技术难题。

“目前，我们已完成了3种氧化亚氮自增压固液混合发动机的研制。其中，62毫米发动机的平均推力有200牛，工作时间4.2秒，比冲效率大于87%，已在探空火箭和无人机助推器中应用。”刘林林说。

■ 四批次发射背后的技术迭代

为了加快固液混合发动机的应用步伐，团队突破专业障碍，研制出具有独立自主知识产权的固液混合探空火箭。

2020年、2021年、2023年、2024年，团队先后成功进行了四批次飞行验证，在飞行试验的过程中不断提升发动机及探空火箭性能。

2020年底首飞当天的场景，刘林林至今仍历历在目。发射团队集合出发时，他看到学生眼睛里布满血丝。一问才知道，学生为了不耽误发射，反复检查，整夜都没有休息。最终，这枚“粗胖”的初代火箭划破天际，完美升空。

和刘林林预想的一样，它也暴露出很多不足，比如现场装配时间长、航电系统过于简单、回收系统不可靠等。“只有动力还可以，其他都不行！”他对这个成果很不满意。

但是，团队并没有被诸多问题打败，反而由此开创了独特的“飞行迭代法”：每次发射是验证，更是发现问题的契机。

2021年初，在不到两个月的时间里，第二代火箭横空出世。该火箭采用快拆结构，装配时间从2小时压缩至20分钟；2023年的第三代火箭动力系统性能大幅提升，并实现了模块化设计；2024年的第四代火箭更是实现了“四箭齐射”，并验证了多种回收方案。

“就像打磨一把宝剑，每次淬火都让它更锋利。”刘林林介绍，“今年10月，我们计划再进行一次火箭发射，进一步验证整个火箭系统的可靠性，为产品在复杂环境条件下的应用提供数据支撑。”

■ 在科研实践中创新育人

在刘林林看来，10年来最大的收获不是打通了从燃料突破到飞行器研制的全链路，而是在这个过程中对科教融合、总师型创新育人方式的有益探索。

“接下来的发射实验更重要的是实现不同层次学生的创意和想法，将以学生操作为主。本科生和研究生会分别将自己的创新设计与理念引入新的探空火箭。”刘林林介绍。

事实上，从第一次试射开始，学生都全程参与其中。

“看着自己做的东西真正飞上蓝天的那一刻，我真切地感受到知识的力量，不断攀登高峰的求知欲也被瞬间激发。”西北工业大学航天学院博士生陈泽昕说。

“探空火箭拔地而起的那一瞬间，我突然明白了固液混合发动机的奥义不仅在于完美理论模型的追求，更多的是解决工程实际中的难题。”西北工业大学博士生李波标说。

在科研实践和教学工作的基础上，刘林林出版了我国固液混合发动机领域的第一部专著——《固液混合发动机技术基础》。“这部书填补了固液混合推进领域尚无相关专著的空白，对航天推进技术领域的科研工作者和高等院校师生具有很强的参考价值。”固体火箭发动机专家、中国工程院院士侯晓表示。

随着商业航天的发展，固液混合发动机展现出越来越广阔的应用优势。去年10月，团队5项专利已作价在相关科技企业进行转化应用。

“我们将继续攻坚，让我们的发动机飞得更高、更远，为我国航天事业培养更多优秀的总师型人才！”刘林林表示。（记者 张梅）