火箭的血液——推进剂『太空科普』

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　　作为国之重器，火箭的发展牵动了亿万人民的心。如果说火箭承载的是夸父逐日的梦想，那么，又是谁让夸父充满了能量？工业离不开石油，人们通常把石油称作为工业的血液，现在让我们来了解一下火箭的血液——推进剂。

　　世界最大的航天发射场——肯尼迪发射中心（39A、39B发射工位）

　　什么是推进剂

　　就像飞驰的汽车、飞翔的飞机需要添加汽油、航空煤油等燃料一样，火箭也需要添加自己的燃料，这种火箭专用的燃料被称为“推进剂”。推进剂在火箭发动机中快速燃烧，为火箭提供飞行的能量源泉，对火箭的性能产生重要的影响。

　　日本某发射场火箭加注系统

　　推进剂的种类

　　推进剂按照状态分为液体推进剂和固体推进剂两大类。

　　液体推进剂以液体形态进入发动机，具有比冲高、发动机推力可调节、发动机可多次启动及脉冲工作等优势，尤其是液氢等低温推进剂能达到很高的比冲值，在大型运载火箭、航天器姿态控制等领域占据支配和统治地位。液体推进剂本身具有易燃易爆的危险，同时又具有流动性、易泄漏的特性，因此液体火箭一般不能带着推进剂进行运输，一般是在临近发射时才向火箭贮箱进行加注。

　　俄罗斯火箭发动机测试

　　固体推进剂类似于烟花中所需的火药。固体推进剂因能量密度大，可以减小火箭尺寸等特点，它在出厂前就已经填充于火箭之中，不需要在发射场临时加注，因而可大大缩短发射准备时间。固体推进剂虽然产生的推力较大，但推进剂自身质量大、比冲小、工作时间短、推力不易调节、难以多次启动，因此一般多用于小型快速发射的火箭以及大型运载火箭的助推剂中。

　　固体火箭发动机测试

　　液体推进剂按照组元多少分为单组元和多组元推进剂。

　　汽车、飞机工作在大气环境下，其燃料的工作原理是与大气中的氧气进行燃烧反应从而推动发动机的运转。而火箭则不同，它飞行过程大部分是在大气层外的真空环境，没有氧气可用，因此在液体火箭中普遍采用可自分解或自燃烧的单组元推进剂或包含氧化剂组元的多组元推进剂来解决这一问题。

　　单组元推进剂是单一的化合物或混合物，在工作时通过催化剂使其自身分解或混合物燃烧而产生推力。单组元推进剂的性能比较低，一般用于发动机的副系统（如燃气发生器）和辅助推进系统（如姿态控制发动机）。常用的单组元推进剂有过氧化氢、无水肼等。

　　多组元推进剂采用两种或两种以上不同的推进剂，通常由一种氧化剂和多于一种燃烧剂组成，在工作时通过氧化剂和燃烧剂混合后剧烈燃烧而产生推力。大型液体火箭一般采用双组元推进剂，如液氢和液氧、液氧和煤油、液氧和甲烷、偏二甲肼和四氧化二氮。其中有些双组元推进剂的组合相遇后不会自燃，称为非自燃推进剂，如液氢和液氧、液氧和煤油、液氧甲烷等；有些双组元推进剂组合，一旦相遇就能立即燃烧，称为自燃推进剂，如偏二甲肼和四氧化二氮等。

　　液氢储罐

　　液氧储罐

　　按照推进剂储存性能，推进剂还可分为常规推进剂和低温推进剂。

　　常规推进剂在常温、常压条件下可以长期储存不变质，也称为可储存推进剂，如偏二甲肼、航天煤油以及四氧化二氮等。

　　低温推进剂的沸点很低、极易汽化，如液氢(沸点-253℃)、液氧(沸点-183℃)和甲烷（沸点-162℃）等。为了保持其液态并减少汽化蒸发损失，必须采取相应的绝热措施，并及时排放蒸发的气体以防超压。

　　低温推进剂球罐

　　低温推进剂--未来液体火箭的发展趋势

　　1926年3月16日，美国发射了世界上第一枚液体火箭。液体火箭上使用的主要推进剂既有常规推进剂，也有低温推进剂。

　　常规推进剂如肼类、四氧化二氮等虽然可以长期储存，但除航天煤油外基本具有高毒性、强腐蚀等特点。在环保成为全球大趋势的今天，有毒的常规推进剂逐渐成为被淘汰的对象。

　　低温推进剂具有无毒、无污染、低成本等优势，被广泛应用于当前主流运载火箭。从成功实施的阿波罗计划、航天飞机任务，到后来的猎鹰系列可回收运载火箭，人类在低温推进剂的探索已取得丰硕成果。

　　土星5号运载火箭

　　航天飞机

　　猎鹰重型运载火箭点火测试

　　我国最早在长征三号运载火箭的三级上使用了液氢液氧低温推进剂。1984年4月，长征三号运载火箭成功将我国“东方红二号”卫星送入地球同步转移轨道，这标志着我国液氢液氧低温推进剂的应用正式开始。我国新一代运载火箭长征五号、长征七号等运载火箭采用了液氢液氧、液氧煤油等低温推进剂，并于2016年首飞成功，标志着我国液氢液氧低温推进剂的规模化应用趋于成熟。

　　中国火箭图谱

　　长征五号首飞（2016年11月）

　　长征七号首飞（2016年6月）

　　由于低温推进剂极低的使用温度和极易汽化的特性，使得所有火箭及地面加注设备、管路需要经过大量的关键技术攻关和科学研究以适应严酷的低温工况，同时，对于后续更大型运载火箭低温推进剂大规模使用的迫切需求，2012年我国批准建设航天低温推进剂技术国家重点实验室，开展低温推进剂应用基础研究与重大关键技术攻关，从而助推我国航天事业飞速发展。

　　我国的航天低温推进剂技术国家重点实验室

　　结束语

　　就像汽车、飞机领域在探索氢能、太阳能等更加环保的新型能源一样，火箭这一能帮助人类走出地球摇篮的交通工具也在探索更加高效、安全的新型推进剂。这些推进剂不仅包括目前人类已经掌握的液氢液氧等化学推进剂，也包括核动力推进、太阳风帆、反物质推进剂等新概念推进动力。也许在不久的将来，人类去“星辰大海”中旅行就像乘坐现在的汽车一样方便、快捷。

　　来源：我们的太空