今天晚上 23：08，神舟十五號載人飛船即將搭載長征二號 F 遙十五火箭于酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，本次發(fā)射將再送 3 名宇航員進入天宮空間站，他們分別是費俊龍、鄧清明和張陸，屆時，天宮空間站將史無前例地迎來 6 名航天員同時在崗！這也是我們空間站建設第一次在軌輪換，6 名航天員將共同在空間站生活一段時間。值得一提的是，鄧清明是我國首批航天員，與楊利偉同一批，堅守到今天，終得圓飛天夢。本次發(fā)射是空間站建造階段最后一次載人航天任務，讓我們預祝發(fā)射圓滿成功！
本次發(fā)射依然采用我們的中國“神箭”長征二號 F 火箭，長二 F 多次執(zhí)行我國載人航天任務，都取得了圓滿成功，相信這一次也不會辜負大家的期望。本次發(fā)射定在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，關于酒泉，大家應該都比較了解了，不了解的話小編找機會帶大家了解了解。
長征二號 F 采用四氧化二氮與偏二甲肼推進劑，是典型的液體火箭，那液體推進劑火箭發(fā)動機究竟是什么呢？提到液體火箭發(fā)動機，大家可能覺得，這都已經是落后技術了，固體火箭發(fā)動機才是未來。但實際上液體火箭發(fā)動機在當今世界各國中，依然是當之無愧的主力。
火箭的歷史
說起火箭的起源，那就要從三國時期說起了，話說后漢三國年間，我們就有了火箭………… 這個詞語了
。當然，這里的火箭跟現在我們說的火箭不是一個東西，連遠房親戚都談不上。
在火藥被發(fā)明之后，人們就想過利用反作用力上天，萬戶，中國明朝人，就是最早將這種方法實踐的人，他將炮仗綁在椅子上，希望能借助其推力與風箏的升力實現飛行。最后當然是失敗了，但這種精神卻值得我們尊敬。
而現代火箭要從 1903 年說起了?？邓固苟?埃杜阿爾多維奇?齊奧爾科夫斯基在 1903 年發(fā)表了《利用反作用力設施探索宇宙空間》的論文，從理論上論證了利用火箭推進的航天器模型。在這篇文章中，他提出可以用液氫 / 液氧作為推進劑研發(fā)火箭。這也是我們現在經常使用的推進劑組合之一。在這篇文章中，齊奧爾科夫斯基還提出著名的齊式方程：
Δv 是航天器速度增量，ω 是噴氣速度，m?和 m?分別是航天器加速前的質量與加速后的質量。
其中噴氣速度和前后的質量比正反應了航天器發(fā)動機兩個重要指標，比沖和干質比。
有關比沖，我們在嫦娥上天時就已經在問答中為大家解答了，感興趣的可以回去翻一翻。這里簡單介紹一下干質比，干質比也就是質量比，其實就是齊式方程中的那個質量的比值，在航天飛行中，我們一般關注火箭發(fā)射前與徹底熄火后的質量比，這個質量比，與火箭本身結構，攜帶的載荷質量都有關系。從這個方程不難看出，干質比越大，速度增量越大，但實際上，運載火箭干質比很難做到很大，就目前而言，沒有任何一種單一火箭干質比可以達到將航天器送入太空，因此齊奧爾科夫斯基提出了多級火箭的設想，其通過多個火箭依次點火將載荷送入太空。目前的火箭推進器至少需要 1.5 級火箭才能完成發(fā)射任務。
而事實上的第一款火箭也正是液體火箭，其建造時間甚至在齊式方程之前。
早在 1926 年，R.H.戈達德在馬薩諸塞州的奧本就成功發(fā)射了歷史上首枚液體燃料火箭，這枚火箭采用汽油 / 液氧做推進劑，這枚火箭只飛行 12.5 米高，57 米遠，老實講，還真不如個炮仗
，但這確實是人類第一枚火箭，戈達德也被稱為美國火箭之父。
真正可以實用的液體火箭應該是德國的 V2 火箭。1944 年德國成功研制了 V2 火箭，這款火箭采用了液氧 / 酒精做推進劑，射程 300km，事實上開創(chuàng)了現代液體火箭的發(fā)展歷程。不過納粹德國開發(fā)這款火箭是為了戰(zhàn)爭，1944 年，納粹德國用這款火箭襲擊了倫敦。
在這之后，美蘇兩國在這款火箭的基礎上開展了液體火箭的研發(fā)。
火箭發(fā)動機的結構
液體火箭發(fā)動機的主要結構有三個：推力室、推進劑供應系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(tǒng)?？梢哉f是三大件了。
推力室是火箭發(fā)動機完成能量轉換并產生推力的裝置，由噴注器、燃燒室和噴管組成。推進劑通過噴注器注入燃燒室，經過霧化、蒸發(fā)、混合后發(fā)生劇烈的氧化還原反應，產生高速氣流從噴管中噴出。氣流速度在 2500-5000m / s，燃燒室內壓力高達約 20MPa，溫度在 3000-4000℃左右。所以燃燒室的冷卻也是火箭發(fā)動機的一種重要課題。
推進劑供應系統(tǒng)是在要求的壓力下，以規(guī)定的混合比和流量，將貯箱中的推進劑輸送到推力室中的系統(tǒng)。按輸送方式可以分為擠壓式（氣壓式）和泵送式兩種，前者一般應用于小推力發(fā)動機，后者則多用于大推力發(fā)動機。
至于發(fā)動機控制系統(tǒng)就不用多提了，它的功能就是對發(fā)動機的工作程序和工作參數進行調節(jié)和控制。
除了這三大件以外，火箭發(fā)動機還可能會有預冷系統(tǒng)、推力矢量控制系統(tǒng)等其他組件。
火箭發(fā)動機的工作過程也就比較清晰了，推進劑在推進劑供應系統(tǒng)的控制下，以規(guī)定的混合比和流量被送入推力室，推力室通過噴注器將其注入燃燒室，在燃燒時經過充分燃燒生成高溫燃氣，從噴管高速噴出，獲得巨大推力。
至于具體的工作方式如果有機會可以找機會再聊。
推進劑
在液體火箭發(fā)動機中，最重要的就是推進劑了。在液體火箭發(fā)動機的發(fā)展歷程中，我們對推進劑的研究可是一直在路上。
液體火箭發(fā)動機的推進器有單組元和雙組元之分，雙組元很好理解。一個氧化劑，一個還原劑，二者發(fā)生劇烈的氧化還原反應，產生燃氣來推動火箭升空。而單組元推進劑大家可能比較陌生。
所謂單組元推進劑，顧名思義，只有一種組元，這種推進劑的推力來源于其自身的催化分解，單組元推進劑一般用于提供控制力的發(fā)動機，最常用的就是肼。
肼是一種地面可貯存的單元推進劑，冰點高，常溫下為液態(tài)，利于儲存，但熱穩(wěn)定性差，在催化劑催化下可以分解為氨氣和氮氣并產熱。不過雖說是單組元推進劑，但其實一般也不是只有肼，一般與 MMH（甲基肼或一甲基肼，后文會提到）制成混肼與硝酸肼及水組成單組元推進劑，一般用于航天器姿態(tài)控制、軌道調整以及末助推器控制等場景。一些 10N 左右的微型發(fā)動機使用通常會選擇使用肼。肼具有優(yōu)越的脈沖式比沖，響應靈敏，可靠性高，最重要的是易于儲藏，還便宜。當然，還有一個顯著缺點是有劇毒。
雙組元推進劑則可以分為兩大類：低溫推進劑和可貯存推進劑。常用的低溫推進劑有液氧 / 液氫、液氧 / RP-1；可貯存推進劑有 N?O?/混肼、N?O?/UDMH、N?O?/MMH、硝酸/ UDMH、硝酸 / 肼等。
首先是可貯存推進劑，這種推進劑常溫下就是液態(tài)，因此可以比較方便地儲存?？少A存推進劑的主要成員還是肼類。
先說 UDMH，乍一看大家可能覺得很陌生，不過如果說起它的中文名字，大家應該會比較熟悉了。這就是偏二甲肼。這是肼系列燃料中熱穩(wěn)定性最好的一種燃料，可以單獨使用，也可以與肼或煤油等組成混合燃料。但其實偏二甲肼比沖一般，即便是 RD-253，真空比沖也僅有 310s。
肼經常與其他燃料組成混合燃料。
像 50% 的偏二甲肼與 50% 的肼組成的燃料就是混肼 50，混肼 50 更穩(wěn)定，密度和沸點更高更安全。像美國大力神火箭 L87 和俄羅斯 SL-13 都使用混肼 50.
再舉一個例子：胺肼。胺肼是肼與二乙三胺混合形成的燃料。胺肼冷卻性能好，比沖也比肼更高。
接下來依然是肼類燃料 ——MMH，也就是甲基肼或一甲基肼。作為肼家族中的一員，MMH 同樣是一種可以全天候貯存的液體推進劑，冰點低，可以單獨使用，也可以與肼或 UDMH 或與肼和硝酸肼組成混合燃料。MMH 能量介于肼和偏二甲肼之間。具有很寬的液態(tài)溫度范圍，高溫及高空性能都優(yōu)于混肼 50。不過 MMH 生產復雜，價格高，毒性也是三種肼類中最大的，甚至推力也低于肼。但 MMH 具有良好的多次啟動的能力。入軌精度高，可以作為上面級火箭的姿態(tài)控制、速度控制和反作用控制發(fā)動機的推進劑。
在雙組元推進劑中，肼類燃料通常作為還原劑，與之搭配的氧化劑一般是 N?O?。N?O?有一個顯著特征，其顏色與二氧化氮相同，為紅棕色，因此發(fā)射時，有紅色煙霧升騰的一般就是 N2O4 做氧化劑了。本次發(fā)射使用的長征二號 F 火箭就是用偏二甲肼配合四氧化二氮做推進劑。大家可以注意觀察一下點火的盛況。
除了 N?O?以外，肼類還有使用硝基氧化劑的搭配。這種搭配的好處在于點火延遲期更短。延遲更短的點火更可靠，啟動速度更快。使用硝酸作為氧化劑與混肼搭配點火延遲期為 25ms，與 UDMH 搭配為 4ms，與無水肼搭配更是只有 2ms。
接下來介紹一下低溫推進劑。
所謂低溫推進劑指的是常溫下為氣態(tài)，只有低溫下為液態(tài)的推進劑，這種推進劑不容易貯存，當然也會有一些其他優(yōu)點，如廉價或比沖高。
首先是 RP-1，別被這個名字唬了，這玩意其實是煤油，一種高度提煉的航空煤油。其氧化劑一般是液氧。
開頭提到過，早期的火箭使用的燃料是酒精，但后來大家發(fā)現，還是化石燃料好啊，碳氫燃料的燃燒效率更高，密度也更高。于是大家就盯上了煤油，煤油非常廉價，室溫下更穩(wěn)定，也更安全，而且無毒，環(huán)保無害。但煤油會帶來另一個問題，煤油高溫下會分解聚合，重質量的成分會產生沉積物，沉積在發(fā)動機上，堵塞冷卻通道。于是 RP-1 就誕生了。
RP-1 嚴格控制了硫的含量，硫在高溫下不僅會腐蝕金屬，還能加劇碳氫燃料的聚合。同時將不飽和的烯烴和芳香烴含量降低，這些化合物本身就容易發(fā)生聚合，還用同分異構體代替了線性的烷烴，增強了抗熱分解的能力。
采用煤油的火箭還是很多的。美國登月用的土星一號的發(fā)動機 F1 就是液氧 / 煤油發(fā)動機。我國的 YF100 也是用的煤油?，F在的 space X 也采用這種方案。
然后是液氫 / 液氧。
這個就非常簡單粗暴了，這是當今比沖最高的推進劑組合（實用的），且環(huán)保無污染。
液氧 / 液氫都需要在低溫下才能維持液態(tài)，因此采用這種組合的長征五號被大家親切地稱為“冰箭”。液氫的密度非常小，所以其體積很大，為此，我們有一個密度比沖的概念，就是單位體積的推進劑的比沖，液氧 / 液氫的密度比沖并不如煤油 / 液氧。此外，液氧液氫貯存比較困難，容易揮發(fā)。
一些推進劑組合的真空理論比沖 (s)
最后簡單介紹一些其他的推進劑組合
首先是液氟。大家應該都清楚，要論氧化性，氟才是真正的大哥，所以理論上液氟和液氫才是比沖的最強者。不過因為氟及氟化物具有劇毒，因此這種推進劑尚未進入實用階段。
其次是甲烷，甲烷同樣是化石燃料，但其相比于煤油結焦極限溫度高得多，與液氧的在不同的混合比下都不存在積碳，對材料的腐蝕也明顯少很多。不過其安全性卻比煤油差，價格也比煤油貴。
參考資料：
[1] 查理.液體火箭發(fā)動機技術 [J].國防科技，2004 (08):25-30.
[2] 符全軍.液體推進劑的現狀及未來發(fā)展趨勢 [J].火箭推進，2004 (01):1-6.
[3] 張起源.國外液體推進劑的發(fā)展和現狀 [J].國外導彈與宇航，1980 (09):7-15.
[4] 孫宏明.液氧 / 甲烷發(fā)動機評述 [J].火箭推進，2006 (02):23-31.
[5] 神舟十五號乘組名單公布：費俊龍、鄧清明、張陸
[6] 神舟十五號船箭組合體轉運至發(fā)射區(qū) 計劃近日擇機實施發(fā)射
[7] 關于火箭燃料那點事 — 液體推進劑的發(fā)展與類別
[8] 航天煤油 RP-1 簡介
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆梓
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