不學點火箭的知識怎麼和人聊神舟十五號？_風聞

中科院物理所-中科院物理所官方账号-2022-11-29 13:59

2022-11-29

原創：中科院物理所

今天晚上23：08，神舟十五號載人飛船即將搭載長征二號F遙十五火箭於酒泉衞星發射中心發射，本次發射將再送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。本次發射是空間站建造階段最後一次載人航天任務，讓我們預祝髮射圓滿成功！

本次乘組三維航天員，從左到右依次是費俊龍、鄧清明、張陸 | 圖源自人民網

本次發射依然採用我們的中國“神箭”長征二號F火箭，長二F多次執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。本次發射定在酒泉衞星發射中心，關於酒泉，大家應該都比較瞭解了，不瞭解的話小編找機會帶大家瞭解瞭解。

長征二號F採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動機究竟是什麼呢？提到液體火箭發動機，大家可能覺得，這都已經是落後技術了，固體火箭發動機才是未來。但實際上液體火箭發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

説起火箭的起源，那就要從三國時期説起了，話説後漢三國年間，我們就有了火箭…………這個詞語了。當然，這裏的火箭跟現在我們説的火箭不是一個東西，連遠房親戚都談不上。

在火藥被髮明之後，人們就想過利用反作用力上天，萬户，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。最後當然是失敗了，但這種精神卻值得我們尊敬。

萬户的雕塑 | 圖源自百度百科

而現代火箭要從1903年説起了。康斯坦丁·埃杜阿爾多維奇·齊奧爾科夫斯基在1903年發表了《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，m₀和m₁分別是航天器加速前的質量與加速後的質量。

其中噴氣速度和前後的質量比正反應了航天器發動機兩個重要指標，比衝和幹質比。

齊奧爾科夫斯基 | 圖源自wiki

有關比衝，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。這裏簡單介紹一下幹質比，幹質比也就是質量比，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射前與徹底熄火後的質量比，這個質量比，與火箭本身結構，攜帶的載荷質量都有關係。從這個方程不難看出，幹質比越大，速度增量越大，但實際上，運載火箭幹質比很難做到很大，就目前而言，沒有任何一種單一火箭幹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射了歷史上首枚液體燃料火箭，這枚火箭採用汽油/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。

戈達德和他的火箭 | 圖源自參考資料

真正可以實用的液體火箭應該是德國的V2火箭。1944年德國成功研製了V2火箭，這款火箭採用了液氧/酒精做推進劑，射程300km，事實上開創了現代液體火箭的發展歷程。不過納粹德國開發這款火箭是為了戰爭，1944年，納粹德國用這款火箭襲擊了倫敦。

在這之後，美蘇兩國在這款火箭的基礎上開展了液體火箭的研發。

火箭發動機的結構

液體火箭發動機的主要結構有三個：推力室、推進劑供應系統和發動機控制系統。可以説是三大件了。

推力室是火箭發動機完成能量轉換併產生推力的裝置，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、混合後發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，温度在3000-4000℃左右。所以燃燒室的冷卻也是火箭發動機的一種重要課題。

推進劑供應系統是在要求的壓力下，以規定的混合比和流量，將貯箱中的推進劑輸送到推力室中的系統。按輸送方式可以分為擠壓式（氣壓式）和泵送式兩種，前者一般應用於小推力發動機，後者則多用於大推力發動機。

至於發動機控制系統就不用多提了，它的功能就是對發動機的工作程序和工作參數進行調節和控制。

土星五號第一級示意圖 | 圖源自百度百科

除了這三大件以外，火箭發動機還可能會有預冷系統、推力矢量控制系統等其他組件。

火箭發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的控制下，以規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温燃氣，從噴管高速噴出，獲得巨大推力。

至於具體的工作方式如果有機會可以找機會再聊。

推進劑

在液體火箭發動機中，最重要的就是推進劑了。在液體火箭發動機的發展歷程中，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於其自身的催化分解，單組元推進劑一般用於提供控制力的發動機，最常用的就是肼。

肼，又稱聯氨 | 圖源自參考資料

肼是一種地面可貯存的單元推進劑，冰點高，常温下為液態，利於儲存，但熱穩定性差，在催化劑催化下可以分解為氨氣和氮氣併產熱。不過雖説是單組元推進劑，但其實一般也不是隻有肼，一般與MMH（甲基肼或一甲基肼，後文會提到）製成混肼與硝酸肼及水組成單組元推進劑，一般用於航天器姿態控制、軌道調整以及末助推器控制等場景。一些10N左右的微型發動機使用通常會選擇使用肼。肼具有優越的脈衝式比衝，響應靈敏，可靠****性高，最重要的是易於儲藏，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：低温推進劑和可貯存推進劑。常用的低温推進劑有液氧/液氫、液氧/RP-1；可貯存推進劑有N₂O₄/混肼、N₂O₄/UDMH、N₂O₄/MMH、硝酸/ UDMH、硝酸/肼等。

首先是可貯存推進劑，這種推進劑常温下就是液態，因此可以比較方便地儲存。可貯存推進劑的主要成員還是肼類。

先説UDMH，乍一看大家可能覺得很陌生，不過如果説起它的中文名字，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。但其實偏二甲肼比衝一般，即便是RD-253，真空比衝也僅有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，比衝也比肼更高。

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能量介於肼和偏二甲肼之間。具有很寬的液態温度範圍，高温及高空性能都優於混肼50。不過MMH生產複雜，價格高，毒性也是三種肼類中最大的，甚至推力也低於肼。但MMH具有良好的多次啓動的能力。入軌精度高，可以作為上面級火箭的姿態控制、速度控制和反作用控制發動機的推進劑。

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N₂O₄。N₂O₄有一個顯著特徵，其顏色與二氧化氮相同，為紅棕色，因此發射時，有紅色煙霧升騰的一般就是N2O4做氧化劑了。本次發射使用的長征二號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。

紅色的尾焰 | 圖源自參考資料

除了N₂O₄以外，肼類還有使用硝基氧化劑的搭配。這種搭配的好處在於點火延遲期更短。延遲更短的點火更可靠，啓動速度更快。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，與無水肼搭配更是隻有2ms。

接下來介紹一下低温推進劑。

所謂低温推進劑指的是常温下為氣態，只有低温下為液態的推進劑，這種推進劑不容易貯存，當然也會有一些其他優點，如廉價或比衝高。

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，但後來大家發現，還是化石燃料好啊，碳氫燃料的燃燒效率更高，密度也更高。於是大家就盯上了煤油，煤油非常廉價，室温下更穩定，也更安全，而且無毒，環保無害。但煤油會帶來另一個問題，煤油高温下會分解聚合，重質量的成分會產生沉積物，沉積在發動機上，堵塞冷卻通道。於是RP-1就誕生了。

RP-1嚴格控制了硫的含量，硫在高温下不僅會腐蝕金屬，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。

採用煤油的火箭還是很多的。美國登月用的土星一號的發動機F1就是液氧/煤油發動機。我國的YF100也是用的煤油。現在的space X也採用這種方案。