【原创文章】我国长二丙一级落地,黄烟四起到底怎么回事?——漫谈运载火箭的推进剂

我国长二丙一级落地,黄烟四起到底怎么回事?——漫谈运载火箭的推进剂
说明

6月27日中午,火箭残骸坠落贵州福泉,升起大量黄烟。福泉市人防办回应:6月27日西昌卫星发射中心发射的长征二号丙运载火箭一级残骸坠落在福泉市境内(见下面视频),无人员伤亡和重大财产损失。但是一定会有网友好奇的问到,为啥我国火箭的残骸坠落地面有时会发生爆炸,同时升起一阵黄烟呢?这是因为我国老一代长征火箭最早源自东风五号洲际弹道导弹,采用了独特的肼基推进剂组合,说起推进剂,今天咱就从世界第一款液体火箭说起,聊聊不同运载火箭的推进剂组合的故事。

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主页君提醒一下,以后这种热闹还是别看为好,太过危险,另外怕我们上传视频不过审,直接采用了澎湃新闻的视频

自从美国火箭学家罗伯特•戈达德于1926年发射人类历史上第一枚液体火箭之后,科学家和工程师一直在寻找威力更大、更环保、更易贮存的液体火箭推进剂。

一、液氧/汽油——第一枚液体火箭发动机的推进剂

1926年3月16日,戈达德在马萨诸塞州的奥本成功发射了历史上首枚液体燃料火箭。这枚火箭采用液氧/汽油作为推进剂,总长约3米,顶部是0.6米长的火箭发动机,它的下方连接了两个串向推进剂贮箱,用两个长约1.5米的中空细管将液氧和汽油高压挤压到燃烧室中。3月16日,戈达德和妻子以及两个助手在沃德农场进行了世界上第一枚液体火箭的发射试验,虽然仅飞行了41英尺高、185英尺远,历时2.5秒,但这是人类第一枚液体火箭。

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图1.人类航天史上第一枚液体火箭

二、液氧/酒精的V2——希特勒孤注一掷的战争武器

V-2火箭的发动机使用液氧/酒精作为推进剂,推力可达56,000磅力。之所以用酒精,是充分利用了酒精较高的汽化吸热能力,使得液膜冷却和再生冷却的方法对推力室高效冷却。涡轮泵的气体发生器采用由高锰酸钠溶液催化过氧化氢(双氧水)分解生成的高温气流,驱动涡轮泵进行泵压式增压输送推进剂。      

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图2.液体火箭发动机的祖师爷—-V2发动机

用汽油/酒精和氧(尤其是气态氧)取材方便,价格公道,很多航天爱好者都采用了这种方案。但是致命的缺点是比冲低。介绍一下比冲:specific impulse,比冲的定义为单位质量推进剂所产生的冲量,是用于衡量火箭或飞机发动机效率的重要物理参数,直白的说,就是推进剂组元的能耐、烈性。比冲相差10%则运载能力差30%,对于志在把更重、更大的载荷送到更高的专业方向来说,科学家和工程师是孜孜不倦。

不过冷战背景下,还要考虑投掷武器的战备问题,因此对于导弹的推进剂除了比冲之外,还有其他的考虑维度。有兴趣了解这段历史的可以详见往期文章:运载火箭的前辈—恐怖的纳粹德国V系列导弹

三、冷战的宠儿—-全家都剧毒的肼燃料

发动机采用液氢、液氧,或者氧化剂采用的液氧的组元,这类低温推进剂都有个蒸发的问题。因此贮箱不能完全封闭,否则随着温度上升,低温液体会不断蒸发成气体会导致内部压力过大而爆炸。实际上液氢和液氧都是在发射倒计时前才注入火箭内的,从那时起燃料罐就开始不断漏气泄压,一直补加燃料,补充挥发掉的部分(运载火箭发射时看到冒雾的原因)。如果军事用途的战备火箭军采用这种方式,那无论是从日常管理、安全性(防静电)、费用上都难以保证的

从战备要求更高的军用火箭的实用需求出发,初期的火箭发动机多采用常温下稳定的肼、一甲基肼(MMH)、偏二甲肼(UDMH)、混肼50(50%肼50%偏二甲肼,欧空局还有其他混合比),氧化剂采用硝酸或N₂O₄。事实上,其组元的沸点高于298K(25℃),这些已经属于高沸点推进剂,在地面使用条件下是液态,无蒸发损失。在密封贮箱的条件下,可贮存较长时间。具体来说,可以分为以下几类:

(一)天使恶魔——偏二甲肼燃料

UDMH,剧毒,对中枢神经和肝脏损害大,致癌,采用硝酸或N₂O₄等作氧化剂,有较宽的液态温度范围和较高的能量特性,有更便捷的军事用途,但比冲一般,作为巅峰质子火箭发动机RD-253,分级燃烧循环,真空比冲也仅316秒。氧化剂N₂O₄本色无色,但N₂O₄是由棕红色的二氧化氮叠合而成。N₂O₄==2NO₂(可逆),随着温度升高,二氧化氮增多,颜色加深,由褐色到赤红色,因此发射的时候出现橙红色是其明显特征。(曾经出现不少类似的高考题目,要求方程式配平)

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四氧化二氮受热之后,二氧化氮增多会变色

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图3.质子火箭发射(罗戈津说要把质子退役掉,你信么?)

(二)美丽而剧毒的肼燃料

Hydrazine,又称联胺,毒,也是剧毒,对眼睛、肝脏损害大。肼的沸点为113.5℃,常温下液态,这是魔鬼诱人的一面。

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图4.肼(Hydrazine)分子式

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图5. Hydrazine,又称联胺,常温下液态,剧毒

肼在在催化剂帮助下分解成氨气和氮气并放热,如果控制氨解离成氮和氢的吸热反应,最高可以得到1650K的燃气温度。

单组元不需要氧化剂,分解使能即开即停,优势明显,通常作为小推力姿态控制发动机,在牛顿级推力的微型姿态调整发动机上用单推肼是最合适不过。

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图6.超纯肼的物理特性

著名的旅行者号任务舱装载了104公斤姿态调整专用的肼,贮存在71公分直径的钛燃料罐里面,通过氦气挤压内部的有弹性的膜片完成推进剂供应,驱动0.9N的姿态控制单推肼发动机,成功的完成了引力弹弓借力,飞出太阳系!这些姿态控制发动机至今仍在工作。(发射距今已超过40年)

需要指出的是肼推进剂的冰点比较高,达到2摄氏度,因此在寒冷的深空,旅行者号不得不把宝贵的电力用来加热钛燃料罐、阀门等,防止肼结冰导致的事故。

此外,航天飞机辅助动力单元(APU)的涡轮泵采用了肼燃料燃气发生器,每台仅88磅重,功率135马力。主要用于操控SSME(航天飞机主发动机的缩写)的液压阀、执行机构、降落的时候释放起落架等。不过肼本身的热稳定性还比较差。

(三)变轨专用推进剂一甲基肼

一甲基肼,MMH, 沸点87.5℃,冰点-52℃,与氧化剂N₂O₄接触能自燃,能够多次启动。MMH有较好的耐冲击性,受到相同强度的压力冲击时,肼在369K就发生爆炸,而MMH在419K时才分解。

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图7. 一甲基肼分子式

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图8.一甲基肼分子,白色为氢原子,黑色为碳原子,蓝色为氮原子

MMH+ N₂O₄双组元大推力,解决了过氧化氢,或者单推肼催化、电热分解姿态控制发动机燃料比冲小、推力小的缺陷。普遍用于卫星的远地点发动机(静止轨道卫星)、变轨、姿态调整。甚至航天飞机轨道机动系统(OMS)的AJ10-190发动机也用这个配方,他安装在垂尾两侧,合计推力达到53.4千牛。

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图9. 航天飞机轨道机动系统(OMS)的AJ10-190发动机

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图10.轨道机动系统(OMS)两个大罐分别为MMH和N₂O₄

X37B也采用了这种燃料用于变轨,可以看到最近刚刚回地球的X37B,欢迎它的是全副武装、穿隔离服的地勤,在抽吸没有用完的轨道机动燃料一甲基肼

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图11.工作人员全副武装,给X37B抽取用剩下的MMH

(四)混肼50

别名航空肼(Aerozine 50),是肼和偏二甲肼的50/50重量份混合物,上世纪50年代末由美国通用航空喷气公司研制,高能,广泛用作火箭燃料,混肼对肼冰点过低的问题(2摄氏度)进行了改性,比肼更稳定,比单纯UDMH具有更高的密度和沸点,提高了安全性,并允许用作发动机中的循环冷却,采用四氧化二氮作为氧化剂。在大力神火箭LR87等美系毒发中均采用此燃料。

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图12.大力神火箭3C

最后说一下家谱,谁最毒?在三种肼类燃料中,MMH的毒性最大,肼次之,UDMH毒性最小,他们对于皮肤、眼睛有强烈刺激,还会导致肝癌等病变。因此,在环保的时代,越来越多的火箭摒弃了肼燃料,而采用了以下推进剂配方

四、液氧煤油——吃苦耐劳、价格亲民的环保推进剂

煤油突出特点是成本低,无毒环保,性能较高, 和液氧在一起成为最佳拍档,代表发动机有F1、RD170/180、SpaceX的Merlin系列发动机。航天火箭用煤油,国外直译常常称为RP-1(Rocket Propellant-1或Refined Petroleum-1),RP-1的军用规格在MIL-R-25576中有详细描述,其规格主要就是12个碳原子的分子,因为没有轻碳分子,RP-1 有较高的燃点,因此比汽油甚至柴油更不容易发生火灾。苏联和俄罗斯的火箭级煤油与RP-1非常相似,称为T-1或者RG-1,规格非常类似RP-1,但与0.81g / ml的RP-1相比,密度更高,为0.82至0.85g / ml,主要目的是为了提高燃料密度。

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图13.火箭煤油RP-1

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图14.蓝领阶层的代表–土星五号的一级液氧煤油发动机F1

但液氧煤油有两个不足,真空比冲367秒较氢氧的463秒差距非常大,比冲相差10%则运载能力差30%,因此液氧煤油更适合做吃苦耐劳的一级;煤油燃烧会因为硫含量存在不同程度积碳影响重复使用;煤油作为冷却剂,受到结焦温度低的限制,制冷效果受限。目前通过分级富氧燃烧、提高燃烧室压力已经逼近理论极限。

苏联在极短的时间内掌握了火箭燃料箱中冷却煤油,实现了更高的密度,在贮箱内存放更多煤油。现如今SpaceX也这么干,Falcon9后续型号采用了预冷煤油至-7摄氏度,密度增大4%。不过SpaceX在这个方向上玩出了事情,他们把液氧预冷到接近液氧冰点(-218.4度)的-207度,密度增加了8%,但复合材料缠绕压力贮箱的碳纤维好像会摩擦,产生静电。2016年9月1日,在燃料加注的过程中二级氦贮箱爆炸,损失惨重。

苏联还人工合成了一种煤油,叫做Syntin 煤油,他的化学分子式为C10H16,由具有张力环结构的四种同分异构体组成。与航天火箭用煤油相比,Syntin 煤油的冰点较低,从RP-1的零下40度,改进到零下70度以下,进一步适配空间低温工作要求;相同条件下的动力粘度小,流动性能更优,相同温度下的密度和饱和蒸汽压稍高;传热性能与火箭煤油相当,安全性可控;材料相容性好,存储性能稳定。液氧/Syntin 煤油的理论真空比冲比液氧/火箭煤油相应值高出8~15.3秒,典型的如RD-58S 火箭发动机的真空比冲高达361秒,发挥出液氧煤油上面级发动机的潜力。

 

五、火箭推进剂的皇冠——液氢液氧

大家都喜欢管长征五号叫“冰箭”,液氢液氧主发动机无毒无污染。先驱齐奥尔科夫斯基提出液体推进剂比固体推进剂能提供更多能量,并早就提出认为液氧/液氢是用于航天飞行的最佳推进剂,但-252.7℃液氢和-183℃液氧实在太难伺候了,从工程学上实现花费了极大的努力,具体可看我的往期文章高能金牌上面级——美国半人马液氢液氧上面级

液氢液氧推进剂缺点一大堆,液氢密度小,所需贮箱体积大;液氢超低温,沸点为-252.7℃,极易蒸发和逃逸,储箱保温外壳的重量比例占到了12%。

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图15.航天飞机超大液氢/液氧外部贮箱,黄色是因为喷涂了一层隔热用的聚氨酯泡沫

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图16.贮箱内部巨大液氢罐!

液氢遇见不得空气,否则结冰的氧、氮都会堵塞管道。但是液氢液氧的比冲超过460秒、无积碳、无污染,一美遮百丑,是多级火箭上面级的最佳选择。美苏两大竞争对手在大推力液氢液氧发动机的研制上都有突破,迄今为止SSME和RD-0120(帝国的余辉—苏联能源号火箭主发动机RD-0120简介)还是当仁不让的优秀发动机代表。冷战后,走向现实、回归理性、价格为王后,采用燃气发生器循环的RS68则是世界上目前推力最大的氢氧发动机,海平面推力达到663000磅力(2.9 MN),真空推力达到751000磅力(3.3 MN)。

 

六、液氧甲烷推进剂——星际旅行特款

甲烷搭配液氧很多方面表现叫中规中矩:

(一)比冲较高:比冲379秒

(二)基本无积碳:甲烷结焦温度为950K,煤油结焦温度为560K,基本可以避免烃类燃料使用过程中的积碳和结焦。

(三)导热性好,同时易于多次启动和变推力调节。

但其密度(424公斤每立方米)不高,比冲只能说较高,高不成低不就,综合性能不如高压补燃循环的液氧煤油、比冲不如液氢液氧,虽然早就做了大量的研发和测试,但一直未被重视,长期坐冷板凳,直到星际旅行概念的兴起

星际旅行要求发动机能够重复长时间使用、燃料就地取材的需求,液氧甲烷推进剂的优势这个时候显现了。

其一,甲烷沸点为-161度,液氧沸点为-183度,两种工质的理想工作温度更接近空间环境温度,理论上更易实现推进剂的空间长期贮存,属于空间可贮存推进剂。而且由于温区接近,两种推进剂贮存及保温可以采用同样的方案和工艺手段,利于简化系统,贮箱可以共底,贮箱间无需特殊的绝热,简化贮箱设计,减轻结构质量。

其二,19世纪的法国化学家保罗•萨巴蒂尔(Paul Sabatier)在1912年发现了使用二氧化碳生成甲烷的反应,在高温(300-400℃)和一定压力下,在催化剂(如:镍,钌或氧化铝)的协助下,CO2 + 4H2 —–> CH4 + 2H2O,这个反应又称萨巴蒂尔反应或甲烷化反应。

火星大气层的主要成分是二氧化碳,只要能够找到水,利用太阳能或者核能电解水产生氢(氧可以提供宇航员呼吸),与二氧化碳反映就可以生成甲烷用于下一次飞行。据称,马斯克宣称SpaceX正在研发在火星基地工作的萨巴蒂尔反应器。

目前SpaceX正在研发液氧甲烷发动机猛禽——Raptor,燃烧室室压25MPa,真空推力1900kN。

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图17.PPT上的猛禽发动机,推力1900Kn,比冲375秒

2016年猛禽已经缩比试车成功,42次测试总时长达到了1200秒,最长的一次超过100秒,室压超过200个大气压。

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图18.猛禽缩比试验

七、其他另类的液体火箭推进剂

没有最毒,只有更毒!毛子在提升液体火箭推进剂比冲上是认真的,是拼命的!在RD-270研发期间,一开始的推进剂是大家熟知的剧毒常温推进剂—-四氧化二氮(N₂O₄)、偏二甲肼(UDMH),但格鲁什科还研究了改进版本RD-270M,使用戊硼烷(pentaborane)推进剂,虽然会有更大的毒性问题,但会增加发动机的比冲42秒,达到365秒。

另外苏联还研发了RD-350,用于UR700的上面级,3台合计推力350吨,比冲达到464秒!这么高的比冲,原因在于使用了液氟/液氧!

液氟与很多燃料组合的推进剂有很高的比冲,密度也比液氧高、其沸点比液氧低,为-188℃,作为氧化剂指标非常棒!液氟/液氢是比冲最高的双组元推进剂,理论达到490秒。

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图19.看着就感觉渗得慌的UR700,用了更毒的戊硼烷、氟

美国洛克达因公司在上世纪60年代,把液氢液氧的RL-10改为OF2(二氟化氧)/CH4推进剂,研制了比冲为417秒的发动机样机,因为安全问题未采用。

由于氟和氟化物有很高的毒性,有腐蚀性,贮存与运输都不安全,生产成本也高,应用过程中问题很大,美苏两个超级大国做了各种论证和试验,不过至今未被应用在具体发射任务上。

也有在液氢/液氧推进剂中,添加轻金属(锂、铍或者锂、铍的氢化物),轻金属和氧化剂反应,产生高温,不过毒性、费用都要考虑考虑。

最后把各类液体推进剂的比冲做一个横向对比:在推力室压力10MPa,喷管扩张比70条件下,各款液体火箭推进剂比冲结果如下。 

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图20. 各款液体火箭推进剂比冲

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图21. 各款液体火箭推进剂价格(2014年行情)

也许你会说,那么固体火箭发动机如何呢?固体火箭发动机,性能最好的,也就280秒出头的比冲,效能不高,而且由于不能重复点火,总冲量不容易控制,一般是用在助推级。

结束语

地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里—-齐奥尔科夫斯基。以目前人类的智慧,液体火箭发动机是走出这个摇篮最为可行的办法。

感谢禹天福老前辈!

我,一个孤独的行者( 新浪微博ID:超超级Loveovergold),原创不易,转载请注明出处!

(全文完)


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