[科普中国]-火箭推进剂

特点

火箭发动机的特点是同时使用两种不同类型的化学物质来支持燃烧反应，产生热排气。这两种化学物质就构成了火箭专家称之为推进剂的东西。这两种化学物质分别是燃料和氧化剂，燃料为火箭提供燃烧的物质以产生热排气，氧化剂为燃烧的过程供氧。所有的燃烧反应都要求有可燃物质和氧来支持。在大气层内有充足的氧气可以支持燃烧，所以汽车和飞机的发动机都不需要携带氧化剂，但火箭既要在大气层中工作，又要在太空飞行，因此必须自带氧来支持燃烧室的燃烧反应。

分类火箭推进剂主要有三种类型的推进剂：固体、液体和混合型。

液体推进剂液体推进剂1的燃料和氧化剂都是液态的保存在火箭的燃料箱中的。目前较普遍的一种液体推进剂组合是用混肼-50(类似煤油)作燃烧剂，四氧化二氮作氧化剂。这种组合剂可在室温下储存，但其燃烧效率比较低。另一种组合是液氢做燃料，液氧做氧化剂。这种组合是当前最有潜力的组合，其燃烧效率很高，但由于液氢和液氧的沸点都很低，所以其保存需要超低温的储存箱，使温度接近绝对零度，在零下二百摄氏度左右，才能保证它们在液态，一旦温度超过沸点液体变成气体，就无法再用作推进剂，由于其比较复杂目前只有美国、俄罗斯、法国、中国和日本等少数几个国家掌握这种低温液体火箭技术。

大多数液体推进剂要求用火花点火开始燃烧。但有些燃料和氧化剂混合时会自动产生化学反应点火燃烧，我们称之为自燃推进剂。使用自燃推进剂的发动机不需要点火系统，而且更加可靠，但这种推进剂几乎可锈蚀所有与之接触的物质，而且含有剧毒。

固体推进剂固体推进剂1由油灰或橡胶状的可燃材料构成，是燃料和氧化剂的混合体。烧固体推进剂的火箭称为固体火箭。固体火箭的箭体与液体火箭的箭体差别不大，但内部没有推进剂储存箱，而是把整个火箭体的内部从上到下装满固体推进剂。在火箭体的中心有一条窄窄的圆柱形缝隙贯穿推进剂的模芯，该缝隙称为燃烧室，它可使推进剂从上到下均匀燃烧。火箭底部的喷管，将燃烧室的排气导入合适的方向。

由于燃烧室是推进剂在中间留出来的缝隙，如果这个缝隙是圆柱形的，当火箭顶端的点火器击发点火后，随着燃烧的继续，燃烧室的表面积开始增大，使得推进剂与推进剂接触的面积增大，每一时间燃烧的推进剂开始增多，产生的推力也相应的加大。因此火箭在最初产生的推力较小，但随着时间的增加，推力逐渐增大，直到燃烧的最后阶段火箭获得最大的推力。考虑一下如果缝隙的形状不同，那它产生推力的效果也会不同。星形开缝在整个加力期间会均匀的产生推力，但推进剂要比圆柱形的燃烧快一些。现在火箭推进剂模芯中开的缝隙形状分为圆柱形、管形、星形、多翼形、十字形等。

与液体推进剂相比，固体推进剂最大的优势在于它可以在室温下储存。而且发动机不需要其它复杂的部件，而液体推进剂的发动机要求有专门的设备来控制液体注入燃烧室。当然也正是由于这个原因，使得固体推进剂的燃烧不容易控制，在燃料没有烧完的情况下，很难实现发动机的关闭，因此不具备多次点火的能力。早期的固体火箭基本都是一次燃烧，但随着技术的发展，现在已经出现多次点火的固体火箭。

惰性推进剂一些火箭设计的推进剂来自非化学能源或甚至是来自外部的能源。例如水火箭使用压缩气体，一般是空气，迫使水从火箭喷出。

太阳能火箭和核能火箭通常建议使用液氢以达到600-900秒Isp（比冲），或在某些情况下，用水蒸汽达到190秒Isp。

此外对于低性能要求的情况，如姿态喷射器，也有用惰性气体氮气的。

离子推力器离子推力器2，离子推进器又称离子发动机，其原理是先将气体电离，然后用电场力将带电的离子加速后喷出，以其反作用力推动火箭。这是目前已实用化的火箭技术中，最为经济的一种，因为只要调整电场强度，就可以调整推力，由于比冲(specific impulse)远大于现有的其它推进技术，因此只需要少量的推进剂就可以达到很高的最终速度，而既然太空船本身不需要携带太多燃料，总重量大幅减少后就可以使用较小而经济的载运火箭，节省下来的燃料更是可观。缺点是它的推力很小，目前的离子推进系统只能吹得动一张纸，无法使太空船脱离地表，而且也需要很长的时间进行加速。离子推力器目前只能应用于真空的环境中。在经过很长时间的持续推进后，将会获得比化学推进快很多的速度，这使得离子推力器被用在远距离的航行中。

常用推进剂液氢(燃料)液氧(氧化剂)燃烧效率很高多用于航天飞机及运载火箭末级昂贵、不易储存。

肼-50(燃料)四氧化二氮(氧化剂)燃烧效率一般多用于中型火箭价格适中、较易储存。

RP-1高精炼煤油(燃料)液氧(氧化剂)燃烧效率一般多用于火箭第一级价格适中、不易储存。

肼(燃料)四氧化二氮(氧化剂)燃烧效率一般自燃、多用于卫星价格相对便宜、腐蚀性极强。

化学混合比例给出的化学推进剂理论排空速率是每单位质量推进剂（具体能量）能量释放的函数。未燃尽的燃料或氧化剂会影响具体能源。令人惊讶的是，大多数火箭载富燃料运行。

推进剂密度虽然液氢有很高的Isp，其密度低是一个重要的缺点：每公斤氢占地的体积是密集燃料（如煤油）7倍多。 这不仅对贮槽设施不利，而且油箱的管道和燃油泵，需要原来体积和重量的7倍。（引擎的oxidiser一侧和渣当然不受影响。）这使得航天器的干质量要高得多，所以使用液氢比起预想的不是这么有效。事实上，一些致密碳氢化合物/液氧推进剂组合具有较高的性能同时，干重的不利也包括在内。3

由于较低的Isp, 密集推进剂运载火箭，具有更高的起飞质量，但这并不意味着一个成比例的高成本，相反，航天器很可能最终更便宜。液氢生产和储存是相当昂贵的，并在航天器的设计和制造带来许多实际困难。

由于较高的整体重量，密集燃料运载火箭必然要求更高的起飞推力，但它携带推力的能力要一直持续到达轨道。这一点，再加上更好的推力/重量比，这意味着密集燃料的航天器达到轨道早些时候，从而尽量减少重力阻力造成的损失。因此，这些航天器的有效delta-v要求减少了。

但是，液氢给予明确的优势，整体重量需要最小;例如，土星V飞行器在它的末级使用液氢;降低了重量，这意味着使用密集燃料的第一级可成比例的缩小，节省不少钱。