不学点火箭的知识怎么和人聊神舟十五号？

来源:中科院半导体所发布时间:2022-12-02824浏览

文章来源：中国物理学会期刊网

原文作者：穆梓

2022年11月29日晚上23：08，神舟十五号载人飞船即将搭载长征二号F遥十五火箭于酒泉卫星发射中心发射，本次发射将再送3名宇航员进入天宫空间站，他们分别是费俊龙、邓清明和张陆，届时，天宫空间站将史无前例地迎来6名航天员同时在岗！这也是我们空间站建设第一次在轨轮换，6名航天员将共同在空间站生活一段时间。值得一提的是，邓清明是我国首批航天员，与杨利伟同一批，坚守到今天，终得圆飞天梦。

本次乘组三维航天员，从左到右依次是费俊龙、邓清明、张陆 | 图源自人民网

本次发射依然采用我们的中国“神箭”长征二号F火箭，长二F多次执行我国载人航天任务，都取得了圆满成功，相信这一次也不会辜负大家的期望。本次发射定在酒泉卫星发射中心，关于酒泉，大家应该都比较了解了，不了解的话小编找机会带大家了解了解。

长征二号F采用四氧化二氮与偏二甲肼推进剂，是典型的液体火箭，那液体推进剂火箭发动机究竟是什么呢？提到液体火箭发动机，大家可能觉得，这都已经是落后技术了，固体火箭发动机才是未来。但实际上液体火箭发动机在当今世界各国中，依然是当之无愧的主力。

火箭的历史

说起火箭的起源，那就要从三国时期说起了，话说后汉三国年间，我们就有了火箭…………这个词语了。当然，这里的火箭跟现在我们说的火箭不是一个东西，连远房亲戚都谈不上。

在火药被发明之后，人们就想过利用反作用力上天，万户，中国明朝人，就是最早将这种方法实践的人，他将炮仗绑在椅子上，希望能借助其推力与风筝的升力实现飞行。最后当然是失败了，但这种精神却值得我们尊敬。

万户的雕塑 | 图源自百度百科

而现代火箭要从1903年说起了。康斯坦丁·埃杜阿尔多维奇·齐奥尔科夫斯基在1903年发表了《利用反作用力设施探索宇宙空间》的论文，从理论上论证了利用火箭推进的航天器模型。在这篇文章中，他提出可以用液氢/液氧作为推进剂研发火箭。这也是我们现在经常使用的推进剂组合之一。在这篇文章中，齐奥尔科夫斯基还提出著名的齐式方程：

Δv是航天器速度增量，ω是喷气速度，m₀和m₁分别是航天器加速前的质量与加速后的质量。

其中喷气速度和前后的质量比正反应了航天器发动机两个重要指标，比冲和干质比。

齐奥尔科夫斯基 | 图源自wiki

有关比冲，我们在嫦娥上天时就已经在问答中为大家解答了，感兴趣的可以回去翻一翻。这里简单介绍一下干质比，干质比也就是质量比，其实就是齐式方程中的那个质量的比值，在航天飞行中，我们一般关注火箭发射前与彻底熄火后的质量比，这个质量比，与火箭本身结构，携带的载荷质量都有关系。从这个方程不难看出，干质比越大，速度增量越大，但实际上，运载火箭干质比很难做到很大，就目前而言，没有任何一种单一火箭干质比可以达到将航天器送入太空，因此齐奥尔科夫斯基提出了多级火箭的设想，其通过多个火箭依次点火将载荷送入太空。目前的火箭推进器至少需要1.5级火箭才能完成发射任务。

而事实上的第一款火箭也正是液体火箭，其建造时间甚至在齐式方程之前。

早在1926年，R.H.戈达德在马萨诸塞州的奥本就成功发射了历史上首枚液体燃料火箭，这枚火箭采用汽油/液氧做推进剂，这枚火箭只飞行12.5米高，57米远，老实讲，还真不如个炮仗，但这确实是人类第一枚火箭，戈达德也被称为美国火箭之父。

戈达德和他的火箭 | 图源自参考资料

真正可以实用的液体火箭应该是德国的V2火箭。1944年德国成功研制了V2火箭，这款火箭采用了液氧/酒精做推进剂，射程300km，事实上开创了现代液体火箭的发展历程。不过纳粹德国开发这款火箭是为了战争，1944年，纳粹德国用这款火箭袭击了伦敦。

在这之后，美苏两国在这款火箭的基础上开展了液体火箭的研发。

火箭发动机的结构

液体火箭发动机的主要结构有三个：推力室、推进剂供应系统和发动机控制系统。可以说是三大件了。

推力室是火箭发动机完成能量转换并产生推力的装置，由喷注器、燃烧室和喷管组成。推进剂通过喷注器注入燃烧室，经过雾化、蒸发、混合后发生剧烈的氧化还原反应，产生高速气流从喷管中喷出。气流速度在2500-5000m/s，燃烧室内压力高达约20MPa，温度在3000-4000℃左右。所以燃烧室的冷却也是火箭发动机的一种重要课题。

推进剂供应系统是在要求的压力下，以规定的混合比和流量，将贮箱中的推进剂输送到推力室中的系统。按输送方式可以分为挤压式（气压式）和泵送式两种，前者一般应用于小推力发动机，后者则多用于大推力发动机。

至于发动机控制系统就不用多提了，它的功能就是对发动机的工作程序和工作参数进行调节和控制。

土星五号第一级示意图 | 图源自百度百科

除了这三大件以外，火箭发动机还可能会有预冷系统、推力矢量控制系统等其他组件。

火箭发动机的工作过程也就比较清晰了，推进剂在推进剂供应系统的控制下，以规定的混合比和流量被送入推力室，推力室通过喷注器将其注入燃烧室，在燃烧时经过充分燃烧生成高温燃气，从喷管高速喷出，获得巨大推力。

至于具体的工作方式如果有机会可以找机会再聊。

推进剂

在液体火箭发动机中，最重要的就是推进剂了。在液体火箭发动机的发展历程中，我们对推进剂的研究可是一直在路上。

液体火箭发动机的推进器有单组元和双组元之分，双组元很好理解。一个氧化剂，一个还原剂，二者发生剧烈的氧化还原反应，产生燃气来推动火箭升空。而单组元推进剂大家可能比较陌生。

所谓单组元推进剂，顾名思义，只有一种组元，这种推进剂的推力来源于其自身的催化分解，单组元推进剂一般用于提供控制力的发动机，最常用的就是肼。

肼，又称联氨 | 图源自参考资料

肼是一种地面可贮存的单元推进剂，冰点高，常温下为液态，利于储存，但热稳定性差，在催化剂催化下可以分解为氨气和氮气并产热。不过虽说是单组元推进剂，但其实一般也不是只有肼，一般与MMH（甲基肼或一甲基肼，后文会提到）制成混肼与硝酸肼及水组成单组元推进剂，一般用于航天器姿态控制、轨道调整以及末助推器控制等场景。一些10N左右的微型发动机使用通常会选择使用肼。肼具有优越的脉冲式比冲，响应灵敏，可靠性高，最重要的是易于储藏，还便宜。当然，还有一个显著缺点是有剧毒。

双组元推进剂则可以分为两大类：低温推进剂和可贮存推进剂。常用的低温推进剂有液氧/液氢、液氧/RP-1；可贮存推进剂有N₂O₄/混肼、N₂O₄/UDMH、N₂O₄/MMH、硝酸/ UDMH、硝酸/肼等。

首先是可贮存推进剂，这种推进剂常温下就是液态，因此可以比较方便地储存。可贮存推进剂的主要成员还是肼类。

先说UDMH，乍一看大家可能觉得很陌生，不过如果说起它的中文名字，大家应该会比较熟悉了。这就是偏二甲肼。这是肼系列燃料中热稳定性最好的一种燃料，可以单独使用，也可以与肼或煤油等组成混合燃料。但其实偏二甲肼比冲一般，即便是RD-253，真空比冲也仅有310s。

肼经常与其他燃料组成混合燃料。

像50%的偏二甲肼与50%的肼组成的燃料就是混肼50，混肼50更稳定，密度和沸点更高更安全。像美国大力神火箭L87和俄罗斯SL-13都使用混肼50.

再举一个例子：胺肼。胺肼是肼与二乙三胺混合形成的燃料。胺肼冷却性能好，比冲也比肼更高。

接下来依然是肼类燃料——MMH，也就是甲基肼或一甲基肼。作为肼家族中的一员，MMH同样是一种可以全天候贮存的液体推进剂，冰点低，可以单独使用，也可以与肼或UDMH或与肼和硝酸肼组成混合燃料。MMH能量介于肼和偏二甲肼之间。具有很宽的液态温度范围，高温及高空性能都优于混肼50。不过MMH生产复杂，价格高，毒性也是三种肼类中最大的，甚至推力也低于肼。但MMH具有良好的多次启动的能力。入轨精度高，可以作为上面级火箭的姿态控制、速度控制和反作用控制发动机的推进剂。

在双组元推进剂中，肼类燃料通常作为还原剂，与之搭配的氧化剂一般是N₂O₄。N₂O₄有一个显著特征，其颜色与二氧化氮相同，为红棕色，因此发射时，有红色烟雾升腾的一般就是N2O4做氧化剂了。本次发射使用的长征二号F火箭就是用偏二甲肼配合四氧化二氮做推进剂。大家可以注意观察一下点火的盛况。

红色的尾焰 | 图源自参考资料

除了N₂O₄以外，肼类还有使用硝基氧化剂的搭配。这种搭配的好处在于点火延迟期更短。延迟更短的点火更可靠，启动速度更快。使用硝酸作为氧化剂与混肼搭配点火延迟期为25ms，与UDMH搭配为4ms，与无水肼搭配更是只有2ms。

接下来介绍一下低温推进剂。

所谓低温推进剂指的是常温下为气态，只有低温下为液态的推进剂，这种推进剂不容易贮存，当然也会有一些其他优点，如廉价或比冲高。

首先是RP-1，别被这个名字唬了，这玩意其实是煤油，一种高度提炼的航空煤油。其氧化剂一般是液氧。

开头提到过，早期的火箭使用的燃料是酒精，但后来大家发现，还是化石燃料好啊，碳氢燃料的燃烧效率更高，密度也更高。于是大家就盯上了煤油，煤油非常廉价，室温下更稳定，也更安全，而且无毒，环保无害。但煤油会带来另一个问题，煤油高温下会分解聚合，重质量的成分会产生沉积物，沉积在发动机上，堵塞冷却通道。于是RP-1就诞生了。

RP-1严格控制了硫的含量，硫在高温下不仅会腐蚀金属，还能加剧碳氢燃料的聚合。同时将不饱和的烯烃和芳香烃含量降低，这些化合物本身就容易发生聚合，还用同分异构体代替了线性的烷烃，增强了抗热分解的能力。

采用煤油的火箭还是很多的。美国登月用的土星一号的发动机F1就是液氧/煤油发动机。我国的YF100也是用的煤油。现在的space X也采用这种方案。