SLS构造分析之固体助推器，站在SRB的肩膀上

　　作者 传说中的葱酱
　　燃料介绍：
　　和液体燃料一样，固推燃料的组成可以被分为氧化剂和燃料
　　我们平时说的A***的全称是Ammonium Perchlorate Composite Propellant，在化学壬的帮助下，葱酱了解到这一长串术语的前半＂AP＂是某种叫做＂****＂的氧化剂，而Composite Propellant则是复合燃料的意思。也就是说A***其实是＂以AP为氧化剂的复合燃料＂的简写。
　　图源credit：NSF
　　而我们常说的PBAN与HTPB其实是它们所使用的粘合剂的名称，而这些粘合剂是可燃烧的，尽管产生的比冲并不尽如人意，但它们是＂固推＂何以为＂固推＂的原因。
　　PBAN是早期制造大型固推所常使用的粘合剂，它的好处是原料相对廉价、毒性低且操作简单，据说比冲略高于HTPB基的固推燃料。但坏处是它定型非常的慢，需要在环氧树脂的帮助下在持续数天的高室温下固化定型，非常吃人工。太空梭RSRM与大力神的UA120助推器便是采用的PBAN基固推燃料。
　　HTPB基燃料更普遍的被用于今天的商业火箭固推，包括GEM、CBS、Star这些大家耳熟能详的固推明星。其特点是比较具有毒性、但固化过程更加自动化且快速，通常是有DOA/IDP等塑性剂参与在内。HTPB在化学上来说是一种混合物而非单一纯净物，它的化学性质可以根据不同的客户需求而量身打造。HTPB其实非常广泛的被用在了许多不同的产品上，包括电子元件的外壳、复合材料结构，甚至毛毯的衬垫上。
　　Q：停停停，葱酱你别胡说八道啦！我鸡皮疙瘩都起来了，我的地毯上面有高度可燃且剧毒的HTPB？这玩笑不是这么开的！
　　A：HTPB在完成固化以后是不会对你造成毒害，而且它对温度不敏感。这也是今天的火箭喜欢用固推当Strapon的原因，和液体火箭比起来、固推的发射台地面操作更加安全。（我们在最后一部分会讲到）
　　我们回到正题，除了粘合剂与氧化剂以外，A***的组成还包括了作为交联剂的蓖麻油（Castor Oil）、作为键合剂的HX-878、和表面活性剂（硅油、卵磷脂）。
　　有了以上的各种奇怪的化学物质的混合物后，理论上来说已经是一根可以点火的固推了。但是我们前面说过，无论是PBAN还是HTPB都不是高性能燃料。那么如何增加燃料的性能呢？
　　食我铝热反应啦！！！
　　聪明的火箭科学家们立马想到了金属粉末，往燃料里一混，再加点铝热剂（一般是氧化铁）催化反应，可以在提高性能（燃烧温度）的同时增加燃烧稳定性。这些金属粉末被称为固推的＂高能燃料＂，常用在轨道级火箭中的金属粉末是最高性能的铝粉。可选的配方也包括了镁（中等性能）和锌（性能最差），据说镁在低压作业环境下的表现较好。
　　而固推的推力和燃烧时间也可以通过调整催化剂的量来控制，如果有必要的话甚至可以使用抑制剂来延长燃烧时间。
　　有趣的是尽管增加金属粉末的比例可以增加燃烧温度，从而提高性能，但生成的金属氧化物是大分子固态/液态沉淀物，会降低比冲从而降低推力。所以一般来说在HTPB基燃料中金属粉末（质量）占比一般在20%左右，而PBAN基燃料中的占比则在16%前后。
　　在军用燃料的世界里，有比A***更加高性能的选择。HMX和NEPE-75分别是MX飞弹（和平守护者）与三叉戟D-5的固推燃料。它们相比商业燃料更加的易燃易爆、且毒性强，但换来的便是高达309 s的真空比冲（相比之下ACPC的巅峰是泰坦SRMU的285 s真空比冲）。高性能燃料的使用也是三叉戟的个头和重量得以远小于同级固体导弹的原因。
　　三叉戟D-5在同级飞弹中是非常轻便可靠的，燃料是主要原因
　　本世纪还有一种新研制的固推燃料名为CL-20（China Lake-20），它相比HMX能量密度上升20%、等容积能量上升14%、且不像HMX那样易燃易爆，比冲则上升到了惊人的320 s（甚至高于许多煤油引擎）它是00-10年代高空反弹道导弹拦截弹高速发展时代的基石，因为它允许拦截弹拥有强大的——可以支持高空高能拦截的同时，又足够小巧轻便可以装填在卡车/战舰上。而CL-20的主要缺点是造价昂贵，所以暂时还无法用于商业火箭。
　　新的高能燃料让THAAD可以装在卡车里跑来跑去，又有足够能量在百公里高空拦截
　　外壳
　　由于固推在点火时，燃料是从中间被点燃、向四周燃烧的，它的外壳同时也是它的燃烧室。这就要求固推的外壳足够的结实，可以承受燃烧的高压，为此，固推的外壳在工程学上是被作为压力容器来考量的。为防止高温燃气损坏外壳，壳体的内部会使用烧蚀涂层来防止烧穿。
　　固推是从中间点火向四周燃烧的
　　壳体的材料有很多种，太空梭SRB使用的是HSLA钢来满足海洋回收的要求、Altair系列上面级和Star系列上面级则分别使用使用钛合金、玻璃纤维复合材料来提高性能。当然今天最常见的还是石墨烯纤维，因为在大尺寸固推上它更容易制造、又轻强度又高，ATK的GEM系列与欧洲的P80/120（织女星一级和Ariane 6助推器）都是碳纤维缠绕壳体。
　　固推的控制
　　许多液推壬对固推有一个误解，就是它无法被节流/关闭。固推其实是可以被紧急关闭/也完全可以节流的，只是不能够停止燃烧。这么多年使用下来，固推内部发生的反应是高度可预测、可控制的。
　　GIF
　　NASA鼓励STEM教师带学生玩模型火箭，因为它＂非常安全且好玩＂
　　固推的节流
　　想要在MAX-Q节流减少最大动压？用星型药柱！
　　需要不断减小推力来防止G力过大？双锚型药柱！
　　需要一段高推力加速+持续低推力模式来限制极速、增加导弹射程？多鳍药柱！
　　多鳍药柱也是军圈（Juan）最爱的双脉冲固推的核心设计
　　固推通过药柱设计来控制推力变化，这也意味着一旦成型就无法再更改。使用在火箭上用来节流过MAX-Q时这没有问题，因为不同任务中重力转向的细微差别不会对MAX-Q的时间造成很大影响。而在军用飞弹的设计中，双脉冲（多鳍药柱）设计往往被用在面对面/空对面飞弹上，因为目标相对固定/移动慢到可以忽略、从而不要求飞弹大幅改变路径影响飞行速度（简间接影响可气动面的表现）。哈姆反辐射飞弹使用的便是双脉冲固推，这也给予了F-16 Block 50 CJ/DJ飞行员＂在防区外狙杀可怜的防空系统＂的作弊级优势。
　　无线电：马格努！ 塞族：快关雷达！！！！
　　它不在空空弹的世界受到青睐、因为在打击空中机动目标时，飞弹需要所谓 ＂正确的能量＂ 来在正确的距离、以正确的速度迎击目标，过高/过低的能量都会导致气动面以非最佳效率运行、降低飞弹的命中率。为了达到这个目的，拦截弹需要在进入主动引导模式前＂放掉＂多余的能量，也就是所谓的＂狗腿＂机动。双脉冲固推巨长的低推力燃烧段会使得这一机动变得不那么有效，因为在进入主动引导时如果固推还在燃烧、那么拦截时的能量就会高于最佳值。
　　THAAD在拦截低能弹头时会使用EMS机动消耗过多的能量
　　固推的紧急关机
　　Flight Termination System(FTS) 在中文里被翻译为＂自毁系统＂，这其实是非常具有误导性的。因为关掉一枚固推并不是真的让它＂自毁＂，而是通过让内部的燃气以不产生推力的方式被排放出去。
　　一般通过三叉戟
　　你在图中看见的是一枚发射后启动了FTS系统紧急停止发射的三叉戟飞弹，这是导弹的前缘。聪明的网友已经理解了，只要在前端开一个孔、两边的推力也就抵消了，飞弹也就不会继续前进了。
　　嗯对，FTS启动以后是这样的
　　TVC（推力矢量控制）
　　Q：葱酱葱酱，这个我们都懂了，不就是和液体燃料一样的泵后摆泵前摆嘛《大国重器》谁没看过呢。
　　葱酱：固推有泵么？
　　Q：好像没有哦......
　　葱酱：其实....一些古老的固推是有的
　　所谓的＂泵后摆＂其实是指涡轮泵组件固定在火箭推力部上，摆动燃烧室和喷管。但我们知道，固推的燃烧室就是它的壳体本身，转动整个固推是完全不可能的。而光转动喷管极度困难，因为进入喷管后流体不断被高压推着加速的（喉管前亚音速、喉管后超音速），在航天纪元的早年（或许我该说第一次航天纪元），高强度、可拉伸的密封材料根本不存在。
　　那时所有的喷管都是固定的，火箭科学家们直接对管道内的流体进行各种各样惨无人道的操作。我最喜欢的设计叫做FITVC，它通过一个泵或者一个燃气发生器（北极星飞弹）来给自带的一个流体（氟利昂）罐加压，通过喷注器将流体注入到喷管里，从而使燃气与喷管壁分离改变流向来达成TVC。
　　FITVC示意图
　　当然，在后阿波罗时代，洛克希德发明了Lockseel™，一种高强度人造橡胶复合材料密封环。也就允许了今天的固推直接用液压/电磁驱动（Vega的一级TVC铰链是电机驱动的）的铰链进行转动喷管，以达到TVC的目的。
　　德尔塔4中型(5,4)的四个固推中2个可以TVC两个固定，可以清楚的看到弹性密封圈
　　所以，大家不考虑加入一下固推教？（虽然我更推荐氢氧教）
　　紧急关机, CHECK !
　　可节流, CHECK !
　　TVC，CHECK !
　　在对固推的基础理念有一定理解后，我们来看看历史上运载火箭使用固推的历史。
　　固推简史
　　Scout，美国固推的始祖级火箭
　　SCOUT的是Solid Controlled Orbital Utility Test System的首字母缩写，直译过来是＂固推控制的轨道级应用测试系统＂。它是1957年设计，1960年成功进行亚轨道发射，1961年成功入轨。它是人类制造的第一枚全固体燃料的轨道级运载火箭，同时也保持这一头衔了数十年，它可以运送122kg的载荷进入近地球轨道。共四级，从下到上分别为Algol(北极星飞弹)，Castor（军士飞弹）,三四两级均来自海军的＂先锋飞弹＂，分别叫做Antares和Altair。Altair也是德尔塔最初设计所使用的上面级（关于德尔塔的介绍请看BV1E541147qR），雷神火箭使用Altair作为上面级的构型被称为＂Thor-Burner＂，所以Altair 也被称为＂Burner 1＂
　　鼻祖级的固推火箭Scout
　　Scout最传奇一点是它的一级Algol原先是作为北极星飞弹的引擎测试平台被设计出来的，而Scout火箭成功入轨的时间甚至早于北极星飞弹和军士飞弹被正式部署。
　　Castor 1/2/4，陆军导弹衍生的初代Castor家主
　　Castor是否让你想起了一些什么呢？没错！用来作固推燃料交联剂的蓖麻油的英语名称就是Castor Oil，所以如果想要土味翻译的话，可以将Castor Rocket Stage翻译为蓖麻火箭引擎。
　　在Castor 1军队中的表亲正式在西德与韩国进入部署前，Castor 1已经在1960年9月开始了作为运载火箭忙碌的一生。它作为雷神火箭的捆绑助推器帮助CIA侦察了铁幕的对面，又成为了德尔塔D的上面级将人类第一枚地球静止轨道卫星送进GTO。Castor 1传奇的一生在1971年结束，在德尔塔和Scout上打工积累了141次火箭发射，其中只有2次发射失败。
　　Castor： 说吧老伙计德尔塔，这次是助推还是上面级？
　　Castor 2是Castor 1的升级版，年轻的Castor 2继承了父亲的衣钵，于1965年作为Scout二级首飞，延续了他爹的留下的与德尔塔的姻缘，作为德尔塔-E的捆绑式助推器打工。它伴随着父亲的老友Scout一直服役到了Scout寿命的终点，1994年5月9日，随着MSTI-2成功入轨，这两位老伙计一起功成身退。也正是这位少主在1975年远渡大洋，开启了Castor家族与日本航天之间的姻缘。日本的H-1、N-1(不是那个炸弹N1)、N-2三款火箭都使用Castor 2作为捆绑，而且起步3枚、动不动就是9枚，Castor 2也以自家出名的可靠性回报了这些黄皮肤工程师。三款火箭共24次发射，只有1次部分失败，剩余23次完全成功。
　　Castor 2：ありがとうございました , Japan !
　　Castor 4由于与2相比有巨大的科技进步，所以跳过了3，直接被命名为4；同时4也象征着大直径的40英尺助推器设计。当然，Castor就是Castor，家族遗传的可靠性使他成为了捆绑固推爱好者眼中的明星，德尔塔、德尔塔2、宇宙神2、雅典娜III（未发射）、H-IIA（被称日本人亲切的称为小固推SSB）全都选择了Castor 4作为固推补足运力。
　　这就是Castor的起源，1、2、4一脉相承的可靠性使得ATK愿意用同样的家族名来命名他的MX飞弹衍生固推，不过这是后面要讲的故事了。
　　太空梭的可复用助推器(RSRM)
　　太空梭的四段式助推器相信大家已经耳熟能详了，两根一共占了太空梭起飞质量的69%，起飞推力12,000kN，最大推力14,700kN。11角星式药柱，提供MAX-Q节流能力、自持推力下分离。
　　固推在室压低于50psi、但又没有完全消失时与太空梭分离
　　太空梭SRB提供了大部分起飞推力，也理所应当的、提供了大部分的姿态控制。太空梭SRB使用的TVC是我们前面提到的液压系统直接转动喷管，使用了弹性密封材料来保证喷管可以被安全的转动。液压系统的压力来自SRB自带的两套HPU引擎（一根两套），该引擎由毒燃料联氨驱动，将液压油加压到约400psi来提供大量TVC控制。
　　SRB是很难被错误点燃的，事实上、如果你用普通的打火机去烧成型后的SRB，它是不会有反应的（请勿尝试）。在正常的起飞流程中，T-6.6秒SSME＂Staggered Start＂（名词解释CV6548407）后，他们仨主引擎必须在3秒内达到90%推力，确认主引擎健康状态良好，此时1号指令下达启动固推，NASA标准起爆器点火、并从同步开始由压力和重力的共同作用下沿着固推中心空管一路点火。SRB有极度严格的点火流程，要确认所有设备正常工作，最后才会点燃SRB。（点火机制视频BV1qE411u7zo）
　　太空梭的SRB甚至有独立的陀螺导航仪，他们叫做RGA，每根助推器上都有一套独立判断Yaw和Pitch并反馈给主电脑。
　　四段式助推器图解
　　太空梭SRB共燃烧127秒，分离高度45km，弹道高点67km（降落伞展开高度）。SRB整体而言在太空梭上工作的很好，忠实可靠的提供了足够的起飞推力，直到.......
　　石墨环氧树脂引擎（GEM-40/46），抚平挑战者的创伤
　　因为众所周知的O型环事故事故，挑战者号的时钟永远停留在了1986年1月26日那天早晨。 ＂(航天的)一切不会到此为止；我们的希望和我们的旅程不会停下＂，里根总统如此说。83年的大韩航空惨案曾促使他宣布GPS为＂公众财富＂，需要为全球服务来提供更精准的定位，防止类似事件继续发生。但挑战者后太空梭再也不发射商业载荷，需要有火箭来接过被他们落下的担子。
　　为此，在1987年，空军决定＂复活＂德尔塔设计了更长的主燃料罐、改进的整流罩，和更大的固推--这就是GEM家族的起源。从钢制可回收老前辈那里接下商业航天的未来后，德尔塔7000系列与年轻,先进的石墨环氧树脂引擎在1989年迎来首飞。更坚固轻便的碳纤维外壳，配合ATK的高能燃料配方，GEM-40/46家族给了德尔塔2接近直送GPS轨道的能力(当然，需要Star上面级作为apogee kickstage)。到90年代中期，24颗正式版GPS就位，开始为全球提供服务。但这，只是德尔塔7000系列的起点，在接下来的数十年内德尔塔7000发射了数不清的商业,军用,NASA载荷。2018年9月15日，随着冰星2号开始对蓝星冰盖的守望之旅，40英尺级的GEM助推与德尔塔2正式退役。
　　初代24颗GPS全部由德尔塔发射
　　番外：Star家族——可靠的固推kickstage
　　既然提到了GPS，我们就顺便说说Star家族固推的故事。
　　过渡型德尔塔II，或者叫＂6920＂构型，较7920性能欠佳，但它依旧可以满足初始9枚GPS卫星的运力需求。6920会将重达3950磅的卫星+远地点升轨引擎一起送进转移轨道（1850磅重的卫星进入最终轨道），而德尔塔7920会将4130磅重、带有电磁波探测器的卫星和远地点升轨引擎送进转移轨道。————《1988国防部拨款说明》
　　所以，这里说的＂远地点升轨引擎＂术语叫做＂Apogee Kick Motor(AKM)＂, 在GPS上使用的AKM被称为＂Orbital Insertion Motor(OIM)＂也就是圆轨引擎。在研发GPS的早年，工程师们不希望将大型的燃料罐和引擎搬上卫星本体。这里的＂大型＂是在卫星的世界、而不是火箭的世界里的，火箭的部件寿命是一般是按分钟计算、最多也不过几小时，而卫星的寿命动辄数年、甚至十几年。使用一个寿命数小时的固推来完成升轨，就可以让卫星不需要带着这些＂没用的＂组件开始漫长的服役生涯。这在工程学和经济上都是最优解。
　　GPS所使用的OIM的名称叫做＂Star-37XFP＂，钛合金壳体、HTPB基燃料，比冲290秒、燃料占比92.5%、燃烧时间62秒、推力38.03千牛、总重955.3kg。Star最有特色的就是使用了钛合金壳体，这给予了Star-37XFP非常出色的干重，在合理利用冲量的同时也减少了运载火箭的运力负担（因为AKM严格意义上来说是载荷的一部分，而不是火箭的一部分）。传统的Castor/GEM等捆绑式固推不使用钛合金的原因不是造价，而是以当时的工艺、钛合金并不能被锻造成足够厚的合金板（因为它在低温下很脆）。只支持薄壁的钛合金（Altair的玻璃纤维同理），势必不能够用于大推力、为火箭提供Raw Power的捆绑式助推器。给你们一个直观比较，Star-37XFP的推力仅有38.03kN、而同为德尔塔固推的Castor 4A（6000系列的捆绑助推）的推力高达478kN、GEM-40（7000系列的捆绑助推）的推力则为493kN。
　　Star-37XFP（TE 718）
　　我们之前提到过Thor-Burner中Burner 1上面级指的是Altair； 其实Star系列家族的始祖Star-37（TE 364-1）就是接受了正式命名的Altair，于1965年首飞。而Star-37B（Burner 2）则是世界上首款拥有完整的导航与控制能力的固推上面级，被广泛用于多种NASA深空探测任务。
　　玻璃纤维的Star 37 TE364（X-248 Altair）
　　Star 48是这几年大家听见的最多的Star家族上面级，发射了新视野、帕克号等著名载荷。Star 48有两种版本，主要区别为控制方式：自旋稳定/TVC控制两种。发射帕克号太阳探测器的便是被称为Star 48BV的TVC控制版，＂B＂意味着是大号的Star 48（多11kg燃料）。而发射新视野号、包括被用于PAM-D（Payload Assist Module）的是自旋版Star 48（B）。自旋版的Star 48一般会使用转台发射（火箭上面级RCS辅助），在固推燃烧完毕后通过一种叫做＂悠悠球停转机制＂（利用角动量守恒）来降低转速，分离、启动卫星。
　　太空梭PAM-D在转台模组上发射SBS-3卫星
　　大力神的陨落
　　大力神4号运载火箭是当年空军的奢侈玩具，整体而言拥有相当不错的成绩。在生涯的末期（98-99）出现了三次严重的事故，其中许多事故原因令人哭笑不得。这些严重的事故也让洛马火箭科学家们相信开始相信玄学了，事实上，为了避讳4号这个＂不幸的数字＂，同为洛马出品的宇宙神家族的命名法直接跳过了IV，所以宇宙神III后直接接着的下一个版本就被叫做＂宇宙神V＂，也就是今天ULA的看家火箭。题外话：半人马命名法则也避讳了IV这个数字，直接从III跳到了V（火神）。
　　而它早年（1986 Titan 34D、1993 Titan IV）的两次事故是与SRB相关的，而且事故原因都是类似的，1993年事故工人在维修的时候没有按照章程操作，把更换SRB段时把密封层给切坏了。这导致发射时一根SRB烧穿了，空军这次发射的正好还是KH-11锁眼天价光学卫星；这还没完，空军作死史无前例的邀请了平民记者/摄影师、航天爱好者团体来观看这次发射。
　　平民高技术力摄影（清晰可见SRB烧穿）
　　两次事故涉事的都是UA120系列SRB（PBAN基），随后Titan IV-B更换了海格力斯SRMU（HTPB基），提高了硬件可靠性。
　　不过大力神并不是因为可靠性原因被迫退役的，真正促使它退役的是燃料问题。大力神IV称SRB为＂第0级＂，在地面点火；芯级毒发为＂第一级＂，第一级在高空点火。大力神所加注的毒燃料的Aerozine 50（其实就是一般联氨一半UDMH）和四氧化二氮，这两种是剧毒化学物质。而加注一枚大力神IV需要数百吨这些燃料被灌进储箱，随着操作毒燃料的危害理解的加深，安全手册禁止的行为越来越多，操作越来越复杂。同时随着作业危险等级的提升，工人的时薪也必须提高（越危险人工越贵）。这样一来一回，大力神IV的采购费用超过了3亿美元（相当于今天的5-6亿）。
　　EELV时代
　　所以洛马公司决定往宇宙神V上加AJ-60A固推来满足部分大力神的任务需求（这也是为什么宇宙神没有一个版本是对称的，它本来没有计划要用固推）。而波音公司也推出了自己的德尔塔4中型运载火箭，使用GEM-60固推。两款固推都是使用碳纤维缠绕复合材料壳体，HTPB基燃料的高性能捆绑助推器。
　　捆绑助推器的使用允许ULA让空军＂批量购买芯级＂，在确定任务具体载荷和轨道后决定构型（加减助推）并补交尾款进行发射。这个思路带来了两个好处：火箭上需要最长时间预定的部件是液体引擎，特别是进口的俄国RD-180需要30个月提前预定（还经常咕咕咕）。提前预定、准备可以在需要的时候拿出来，绑上固推发射。事实上，疾速发射服务是ULA的看家本领，尾款付完以后最快3-6个月发射。如果从头开始造火箭完全是不可能的。它让ULA可以准备＂在5年内以最低成本生产36枚芯级和上面级＂，从而为剩下国防预算。研究表明＂批量购买＂思路为空军省下了44亿美元的预算（和一根一根买相比）
　　2014乌克兰危机（空军开始找寻RD-180替代方案）新上任的CEO决定与轨道ATK（今NGIS）达成战略合作伙伴关系，为宇宙神V、未来的火神、OmegA火箭设计一款通用GEM助推器，由于直径63英寸，被称为GEM-63. 火神、OmegA使用加长版的GEM-63XL，在那之前GEM-63会先在宇宙神V上替换原来的AJ-60A进行服役。该计划在2016年1月获得了空军的额支持，他们为CBS和GEM-63提供了研发资金。
　　今年（2020），GEM-60已经随着德尔塔4中型退役。而宇宙神V将会开始使用新的GEM-63固推作为它的捆绑式助推器（火星车和星际线还是会使用AJ-60A）。由于两家公司之间的战略伙伴关系，GEM-63的订单得到了保障，NGIS可以以最低成本量产固推，与AJ-60A相比GEM-63便宜了一半。所以火神和OmegA也将使用对称构型，因为固推成本够低，一根一根加反而没有意义。（强迫症狂喜）
　　第一枚给宇宙神V的GEM-63已经在发射场验收了
　　Castor 120与米诺陶火箭，和平守护者的遗孤
　　MX飞弹（也叫和平守护者）助推器的制造商联合科技希望用该助推器的设计衍生出一款小型的LEO火箭，但由于众所周知的原因，商业发射载具必须使用A***，所以原来的高能军用燃料要被替换掉。
　　这就是Castor 120的起源，120,000磅象征着原计划的燃料重量。Castor 30是缩小版的Castor 120，被用作上面级。两者都和原来的Castor 1/2/4毫无关联，仅仅沿用了Castor火箭的版权名而已。Castor 120在研发完成后被用于了雅典娜1号的一级，雅典娜2号的一级和二级（对，非常KSP吧，同一型固推叠在一起）。它也又一次跟随着同名的陌生前辈们来到日本，成为了H-IIA的SRB-A火箭的设计基础。
　　H-IIA：Castor最棒了.jpg
　　90年代末期，空军决定退役鸡肋的MX陆基飞弹（由于三叉戟D-5在精度、可靠性、战备率和生存性都远超陆基的MX）。这一决定留下了114枚未使用的助推器，全都已经灌满了高性能军用燃料。舍不得的诺斯洛普格鲁曼公司决定就像重复利用退役的民兵II飞弹和MX飞弹作为纯军用（真正的黑店）运载火箭，他们分别被命名为米诺陶I号和米诺陶IV号（也叫和平守护者SLV）；使用Star 48V高性能上面级的米诺陶IV号被称为米诺陶IV+；往米诺陶IV+上再加一个Star-37FM上面级用来打GTO，这就成了米诺陶V，三款轨道级火箭共18次发射全部成功。米诺陶II号和III号分别是亚轨道目标载具，用来给GBI拦截弹模拟ICBM练手的，所以米诺陶III号也叫＂和平守护者TLV＂。米诺陶III号还在研发中，米诺陶II号一共发射了8次，全部成功。
　　米诺陶——黑到许多人都不知道的一型火箭
　　题外话，今年第四季度还有一次米诺陶I号的发射（可能没有直播康，有直播的话我一定会转播的！）
　　太空梭无福消受的五段式助推器
　　众所周知SLS使用的SRB是所谓＂五段式助推器＂，字面意义上理解就是多了一段燃料、多了25%的冲量。它原本是为太空梭设计的改进型固推，用来提升9.1吨太空梭-ISS运力的同时增加飞行安全性。哥伦比亚号事故后，NASA决定退役太空梭，也就没有再考虑五段式助推器与太空梭整合的计划。但五段式助推器的研发继续了下去，2003年10月23日进行了第一次试车，为了将来的星座计划（后死亡）做准备。
　　在星座计划被取消后，五段式助推器又被用在了SLS的设计里。主要改进有以下几点：
　　（1）改进了原有的11角星型药柱为双层锥型穿孔式设计，增加恶劣环境下的运行的可靠性，药柱的斜面设计经过了改良，用作抑制剂的腈基丁二烯橡胶的高度也随之进行了改动。
　　（2）更换了更厚的密封层
　　（3）更换了放大的喉管和加长喷管（EAEC）
　　五段式助推器的问题是原来设计中为了从海洋里回收外壳，材料选取了昂贵的D6AC HSLA钢。这些材料需要很长时间预定，所以从海洋里回收外壳是唯一的保证发射频率的方式。但SLS并没有回收助推器的打算，所以NASA认为五段式助推器最多可以用到SLS的第9发。而每次SLS飞行都要准备两套固推，一套备用，所以在第9发时NASA就必须准备好新的固推助推器。
　　SLS的先进助推器
　　NASA为解决这个问题提出了＂先进助推器＂（Advanced Booster）竞标计划，原计划在2015年选定最终胜者，在EUS服役之前开始在SLS上打工。ICPS+AB的组合被称为SLS Block 1A，然而各位沙发火箭科学家一听就明白，一个轻上面级+超大力的固推，这是个会因为G力把载荷压扁的设计。在2015年Block 1A因为喜闻乐见的原因被取消之前，共有三个团队向先进助推器投标了方案，它们分别是
　　(1)普惠洛克达因(P&W Rocketdyne)领导的团队，希望复活土星V号的F-1B引擎作为助推器，该设计号称可以将SLS Block II的运力提升到150吨有效LEO酬载量。（目标仅130吨）
　　煤油幽灵的想peach设计
　　(2)航空喷气（Aerojet）领导的团队，提出了该公司的AJ1引擎（改进版RD-180）作为助推器主引擎。
　　(3)ATK的碳纤维复合材料壳体，HTPB基高能燃料的四段式固推。它被称为＂Dark Knight＂（黑暗骑士）, 可以将SLS Block 2的运力提升到要求的130公吨有效酬载，并承诺（相比五段式钢制助推器）便宜40%、可靠性提升24%。由于段数的减少，地面操作的复杂程度也大大降低。生产黑暗骑士所需要的劳工时间比五段式助推器＂少了480小时（50%）＂。
　　固推！！！
　　黑暗骑士的崛起（CBS断代史）
　　从竞标到取消，ATK的设计都没有被公布。但与AB竞标平行推进的还有空军的RD-180替换计划，轨道ATK所投标的是一种被称为＂通用助推器段＂（Common Booster Segment，CBS）的设计。他们所设计的火箭叫OmegaA，保留了宇宙神V的RL10驱动、氢氧上面级，把整个宇宙神V一级带着RD-180换成了由Castor 600(两段CBS)作为一级，Castor 300（单段CBS）作为二级的两级式推进段。
　　6固推的Inter版（Castor 600一级）拥有9,200kg的GTO酬载
　　宇宙神一级的燃烧时间是253秒；Castor 600的燃烧时间122秒、起飞推力2,100,000磅（953吨）、Castor 300的燃烧时间为139秒、推力785,000磅（356吨），OmegA Intermediate构型的两级燃烧时间共计261秒。怎么样，是不是很像宇宙神V一级的替代品？
　　OmegA还有一个额外的＂重型＂构型，用四段式的Castor 1200替换原来的一级Castor 600，以最KSP的方法增加运力。Castor 1200会有3,100,000磅（1407吨）的起飞推力和更长的燃烧时间。
　　与Castor 120一样，Castor 300/600/1200系列也和原先的老Castor没什么关系。后面的数字代表着＂计划的燃料重量＂， Castor 300意思是300,000磅（136吨）燃料，Castor 600的意思是600,000磅（272吨）燃料。当然，做出来以后总是有点微小的偏差，比如Castor 600造出来多填了50,000磅燃料总计650,000磅（295吨）。
　　听到这里，你可能想问＂为什么Castor 300更短反而燃烧时间更长？＂ 其实固推开篇我们就已经解释过，固推是从中间向外燃烧的 如果装药更粗/催化剂更少，那燃烧时间就可以更长。同样的道理，Castor 1200如果用相同的药柱，燃烧时间会和600一样，推力变成两倍（1900吨）。但火箭科学家们不需要这么大的推力（除非你想MAX-Q翻车），所以推力被减少到了1400吨，燃烧时间拉长。
　　三个型号分别是单段CBS、双段CBS和四段CBS。每个CBS可以装载33,000加仑的固体燃料，是轨道ATK（现NGIS）历史上所执行过的＂最大规模的燃料装填＂。相比之下，SLS的五段式助推器每段＂仅有＂ 27,000加仑的容量。并且CBS推进段壳体由碳纤维缠绕复合材料制造（NGIS目前也是世界上最大的碳纤维缠绕固推厂），相比钢制、容量更小的RSRM减重了30%。
　　所以黑暗骑士的继任者＂BOLE＂助推器（解决消失货源、延寿助推器）只需要四段CBS，就可以接近原来五段式助推器的装药量，并为SLS提升15吨的近地轨道运力，将人类送去火星。
　　图为Castor 600的下段CBS，也是所有CBS中最重的一段
　　我们提到过，CBS和OmegA的研发是从2015年开始的。当时，轨道ATK的工程师们看着空空的设计版和一无所有的车间，定下了在2019年5月进行第一次试车、2021年春季首飞的目标。而第一次Castor 600的试车时间是？2019年5月30日，准时ATK ! 不过在测试末尾，喷管突然爆炸。事故调查原因是该测试在地面水平进行，近地面尾焰喷射造成了内外气压出现了预期外的偏差。也就是说如果是在垂直发射、高空低气压环境下运行，喷管是不会有问题的。而谨慎的NGIS也加固了喷管，将原计划2019年8月进行的Castor 300测试推迟到了2020年2月，而这次测试完全成功。
　　今年2月的C300测试，葱酱早回来了一个月（之前在看IFA）/(ㄒoㄒ)/~~
　　值得一提的是，2019年5月的那次Castor 600试车是在＂高温＂环境下进行的，Castor 600被故意加热到了90华氏度（32摄氏度），这个技术也被称为＂热试车＂。由于较高的温度，燃料消耗的速度比正常快，产生的推力也提升到了约2,200,000磅（997吨）。相比之下，今年2月的Castor 300测试是在正常温度40华氏度（4摄氏度）下进行的，这被称为＂冷试车＂。
　　OmegA是轨道ATK有史以来最大的投资项目
　　商业小剧场
　　2018年，轨道ATK被诺斯洛普格鲁曼收购，成为了诺格创新系统的一个部门。这与轨道ATK对黑骑士和OmegA的投入有一定关联，因为它字面意义上的＂全心投入＂了这个项目，太多资源被占用，2014的安塔瑞斯火箭爆炸事故与NASA取消先进助推器订单的情况下，加剧了轨道ATK的窘迫境地。然而ATK知道自己的设计是正确的，OmegA与BOLE助推器会回报自己。可惜它没撑到OmegA首飞那天，在2018年承诺要＂向OmegA投入更多资金＂后，轨道ATK被诺格收购，也算是找到了一个好人家吧。
　　2020年6月，OmegA的排练用假火箭级已经和Artemis-I的固推一起抵达了KSC进行彩排，目前进展一切顺利，目标首飞时间为2021年春季（记得2015年顶下6年首飞的目标么？他来了！）在LC-39B（SLS发射台）进行。
　　Q：和SLS共用工位？
　　A：没错，其实现在正在操作Artemis-I 助推器的地面工人和将来要为OmegA准备发射的是同一批。诺格希望通过通用工人来节省成本（毕竟SLS频率低，专门培训一波不划算）。OmegA虽然要用LC-39B，但使用的其实是不同的移动发射台，诺格在2018年买下了太空梭留下的MLP-2打算在HB-2里进行改造，而MLP-1被SpaceX改造成了固定服务塔。SLS所使用的是全新的ML-1（虽然最近它又出了些昂贵的小问题）
　　MLP-2施工中
　　这里还有一个小故事，本来NASA希望SLS成为09年后第一个使用LC-39B的火箭，但由于持续咕咕咕，SLS首飞已经被推到了2021年下半年，肯定比OmegA慢，NASA也没脸要求OmegA等SLS的。
　　我们讲了这么多固推的故事，你也许会问，为什么要用它？液体引擎不是有更好的比冲么？为什么轨道ATK这么执着于固推，甚至愿意为了固推大火箭而把自己弄到破产？固推的优势究竟在哪里？
　　选择固推的理由
　　固推最明显的特征是一旦出厂就已经完成加注，要做的只是组装。记住这点，我们会回来的。
　　可靠性
　　其实，如果我们纵观历史，可以清楚的了解到这个事实：固推的可靠性远优于液体引擎。从1980年算起，固推故障的概率要比液体引擎低四倍。在过去18年内，没有任何一次固推事故；过去40年内的固推的可靠性也高达99.7%。如果只看德尔塔家族和太空梭的任务，只有2%的延迟是由固推造成的，相比之下液体引擎要为22-24%的延迟负责。
　　推力可控可预测(且不受POGO影响)
　　要解释为何固体的推力稳定、可预测，我们要先看看液体引擎为什么不稳定。
　　（1）化学反应不稳定
　　你可能想问：＂这些化学反应我初中知识都知道，有什么不稳定的呢？＂
　　不，其实除了氢氧机的反应以外，其他所有液体燃料的燃烧都是有非常多种反应参杂其中的，即使是氢氧机也并不只是氢气和氧气燃烧生成水这么简单。而且有些燃料甚至不是化学上的纯净物，比如煤油、你所看到的RP-1分子式其实是它的平均值，有一连串各种各样的煤油分子存在RP-1里，而且煤油这样的燃料不可能完美雾化。即使是如甲烷的纯净物且为气态燃烧，在高温富燃燃烧情况下也会发生无数种反应。
　　猛禽引擎点火时可能发生的反应——来自卡角环境影响评估报告
　　（2）工程学意义的不稳定
　　其中包括＂Screech＂ ＂Pogo（它是Chug的特殊情况）＂ 和＂Buzzing＂之类的＂工程学不稳定＂。
　　其中Screech是声学现象、Pogo类似于＂水锤现象＂，而Buzzing则是单组元引擎喷注器回火事故的元凶。这些是工程学课程会上的内容，我不过多赘述。仅仅举一个Pogo的例子（有留言要求我这么做）。
　　常见的水锤现象
　　水锤现象——如果你用过老式水龙头，你就会发现每次关闭的时候都会有一种恬噪的尖啸。其原因是在你打开水龙头后，自来水管道内的水由于来自水箱的压力开始移动（重力势能转化为动能），所以水会从水龙头里流出来。当你关上它时，管道内的水依旧保有原来的动能，它们会有惯性、会继续前进，所以它会像锤子一样撞上你的水龙头。
　　在火箭的燃料管内也会发生相同的现象，由于之前提到的火箭引擎内的化学反应不稳定、TVC不断修正路径等种种因素，火箭本体的加速度是不稳定的。而管道内流体的惯性会加剧这个现象。想象一下场景：
　　（1）火箭加速度由于燃烧不稳定突然上升一小段（往前冲了一下）
　　（2）从而火箭整体的加速比管道内的流体快了一点点
　　（3）流体因为惯性，更快速的流入了引擎
　　（4）更多燃料进入引擎，引擎过载推力增加，火箭加速更快了
　　（5）回到（1）
　　这就是一个典型的pogo oscillation，如你所见，如果没有介入这样的循环会不断加剧、让火箭偏离预定轨迹或直接损坏引擎。
　　而固推最妙的一点是，所有推力的变化在出厂的一刻就已经刻死在药柱里了。药柱的燃烧可没有管道、没有流体惯性参与在内，所以它的推力可以被今天的模型非常精准的预测并控制。
　　SLS五段式助推器的测试结果，蓝色为预测曲线、红色为实际推力变化，完全重合
　　简单、安全的地面操作
　　在讲大力神IV火箭的时候我们已经说过，毒燃料的加注作业是极度危险且费时费力的。其实不管是煤油（半低温燃料）还是甲烷、液氢（全低温）火箭的加注都是极为痛苦且高风险的作业，储箱内的压力一直是动态平衡的。而且液体火箭一级通常都非常的长，给火箭起竖的过程相当于用吊车吊起一栋数十层高的大楼。
　　你能想象吊起10层楼高，价值上千万的芯级的感受么
　　固推的作业就友善多了，因为它们被分成段制造、分别吊起来组装。同时也不用担心毒燃料漏出来/天热挥发把大家都害死。
　　快速就位
　　这其实与上面那点有交界，NSSL Phase 2的竞标明文要求火箭＂可以接受更换卫星，并且必须在12个月内就位＂。也就是说，火箭去任务化、且随时切换任务。我们在EELV时代里讲过加减捆绑固推给了ULA非常灵活、且快速的任务反应能力。
　　快速反应甚至是OmegA的广告词
　　＂在你的卫星准备好时就能随时入轨是不可能的——直到现在（OmegA让它成为了现实）＂
　　构型
　　我们在两周前的预热专栏（CV6548407）聊过起飞时推力的重要性。简单来说在低水平速度时（低能亚轨道中），每一秒飞行时间都带有巨大的重力损耗。而在高速时，由于重力冲量大部分被用来改变轨道速度水平分量的的方向了，实际需要＂损耗＂在火箭性能上的部分就少了许多。我知道你可能还是听不懂，没关系，我们来打个比方。
　　设想以下场景：
　　你要从A地前往B地，有2辆车，分别是一辆皮卡和一辆迷你。
　　已知：
　　公路上，皮卡每升油能跑3km，迷你每升油能跑10km。
　　泥地上，迷你因为动力太小，每升油只能跑1km（大部分油都浪费在爬来爬去上了）。但皮卡，由于动力充足根本无所谓泥地和公路，一脚油门就过去了，还是每升3km。
　　场景1： A与B之间有公路相连，如何以最少燃料抵达目的地？
　　标准答案： 送分题.jpg，开迷你，因为它省油。
　　场景2：A与B之间都是泥地，如何以最少燃料抵达目的地？
　　标准答案： 送分题.jpg，开皮卡，因为它动力大，浪费少。在泥地上本来省油的迷你每升油只能开1km，甚至比皮卡油老虎（3km）还差。
　　场景3：A与B之间前三分之一的路段是泥地，而后三分之二都是公路。
　　标准答案：.....Whut?
　　???
　　用皮卡装着迷你开过泥地，上公路以后，丢掉皮卡，用迷你开完剩下的路。
　　我知道我知道，这听起来愚不可及，但火箭其实就是这样设计出来的。
　　在刚才那个比方中，将 ＂A到B的路径＂ 替换成 ＂从0加速到第一宇宙速度＂，而皮卡和迷你分别对应的是起飞级（Booster）和加速级（Sustainer） (为了防止混淆，我不使用第一级/第二级)。
　　刚起飞时，你处于低速、且在低层大气飞行（泥地），需要强大的动力来脱离这里减少浪费，所以高推重比（皮卡）是最好的选择。
　　已经建立了一定速度后，你已经不担心重力损耗（公路行驶），需要一级省油的加速级（迷你）来帮你完成剩下的加速。
　　附：Strapon. Booster. Sustainer在传统术语里这些究竟是指什么？
　　Sustainer在传统的火箭术语里是＂主引擎＂的同义词，它指的是加速级的引擎。该术语的起源来自于SM-65初代宇宙神运载火箭，标志性的＂一级半＂构型、经常被做成迷因的＂我丢掉了自己的引擎、因为它太重了＂也给我们带来了Sustainer和Booster的定义，一路加速入轨的主引擎是Sustainer、而
　　Booster则是起飞级的引擎，用来将火箭给＂Boost＂离开地面
　　而Strapon和Booster之间最大的差异就在于，Booster提供了大部分起飞推力，而Strapon一般只提供辅助。
　　也就是说，猎鹰9号的一级、太空梭SRB是典型的Booster，猎鹰9号二级的真空梅林、和太空梭SSME是典型的Sustainer。
　　当然，今天的许多火箭已经不再使用这样的术语。因为，很明显宇宙神V上没办法明确指出谁是Booster谁是Sustainer（尽管ULA叫一级Booster），5枚Strapon为宇宙神V 551提供了大部分起飞推力、且芯级与半人马分离的速度接近5600m/s。
　　猎鹰9号一级关机速度7850km/h，而轨道速度27000km/h，接近3/4的加速都是由真空梅林完成的
　　猎鹰9号的设计便非常显著的体现了这样的思想：助推器仅仅只是为了帮助火箭＂摆脱泥地＂。在整个发射过程中有四分之三的加速是由单真空梅林的加速级完成的。
　　所以我们可以这样描述火箭的分级，加速级站在大推力起飞级的肩膀上起飞，在重力不造成那么多麻烦的时候，点燃燃油效率高的主引擎继续加速入轨。
　　所以，谁是那个肩膀最硬、推力最大的巨人呢？
　　刚才你说了＂推力＂对吧
　　推力大、发射台操作安全容易、可靠、稳定，有比固推更好的一次性助推器选择么？