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运载火箭和航天器用什么作燃料

  同空气喷气发动机相比较,火箭发动机的最大特点是:它自身既带燃料,又带氧化剂,靠氧化剂来助燃,不需要从周围的大气层中汲取氧气。所以它不但能在大气层内,也可在大气层之外的宇宙真空中工作。这是任何空气喷气发动机都做不到的。

  1950年代,美国研制成功氧化氢和聚乙烯作为火箭发动机的混合推进剂。1964年法国首先发射成功采用混合推进剂为动力的气象火箭。我国“长征一号D”运载火箭第一级、第二级用液体燃料火箭发动机,第三级用固体燃料火箭发动机,也是采用混合推进剂。

  液体燃烧剂常用“肼”(H2NNH2)。肼是一类含氮的化合物,是一种有毒、有腐蚀性的油状液体。欧洲的“阿里安”运载火箭,我国的“长征”系列运载火箭的第一、第二级燃料多数采用偏二甲肼和四氧化二氮的“二元推进剂”。但偏二甲肼毒性较大,损害人体的肝脏。尤其是四氧化二氮/偏二甲肼的燃烧产物,对人体损害更大,并严重污染环境,在灌注操作中非常危险。另外偏二甲肼有腐蚀性,一旦错过了火箭发射的“气象时间窗”一段时间后,就必须更换火箭箭体。偏二甲肼也是目前世界上最普遍使用的火箭燃料。

  低温液体推进剂的技术是衡量一个国家航天技术先进的标志之一。我国的“长征”3号运载火箭第三级就采用液态氢、液态氧为推进剂的火箭发动机,成为世界上第三个掌握控制液态氢技术的国家。氢是所有元素中最活泼的,要控制好液氢燃烧的难度极高。所以液态氢一般不作为第一、二级火箭的燃料来使用,避免低空发射时爆炸的事故。多用作高空航行中高能末级火箭推进剂。

  固体火箭发动机为使用固体推进剂的化学火箭发动机。固体推进剂有聚氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。

  我国正在研制新一代无污染、大推力火箭发动机:120吨推力液氧煤油常温发动机和50吨推力液氢液氧低温发动机。120吨液氧煤油发动机具有推力大,比冲高的特点,在2006年7月3日完成600秒试车试验。50吨液氢液氧发动机具有无污染、高性能的优点,在2006年1月15日完成200秒试车。

  采用新型燃料的火箭发动机具有明显的优点。首先,煤油作为常温推进剂,使用极为方便、安全性好,而甲烷、丙烷、液氢是低温推进剂,不好贮存,运输、加注和操作都不方便,泄漏后易起火爆炸;其次,煤油价格便宜,每千克煤油的价格只有偏二甲肼的1/30,可以较大幅度地降低发动机的研制成本和运载火箭的发射费用。发射一颗20吨重的低轨道卫星,如用四氧化二氮/偏二甲肼组成的二级半方案,推进剂费需3000万元,而用全液氧/煤油方案只需100万元;第三,液氧/煤油组合密度比冲高,是理想的助推级发动机燃料;第四,我国煤油资源丰富、贮量极大,可满足长远的需要;最后,使用液氧/煤油发动机可完全消除四氧化二氮/偏二甲胼有毒且污染环境的严重不足。

  发射嫦娥三号的长征三号是三级捆绑式液体运载火箭,助推器和子一级、子二级使用四氧化二氮/偏二甲肼推进剂,子三级使用低温液氧液氢推进剂。

  低温液氧液氢推进剂性能更好,但是价格昂贵,储存、运输、加注、发动机制造都要求更高,各项技术都在不断攻关中。四氧化二氮/偏二甲肼则是一种很成熟的推进剂了,配套的设备、管理、技术都很完善,用起来安全放心。





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