不学点火箭的知识怎么和人聊神舟十五号？

2024-11-17 00:29:22 分类：时尚 阅读(519)

今天晚上23：08 ，不学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
 ，点火本次发射将再送3名宇航员进入天宫空间站，知识舟号他们分别是和人费俊龙、邓清明和张陆 
，聊神届时
，不学天宫空间站将史无前例地迎来6名航天员同时在岗！点火这也是知识舟号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。和人值得一提的聊神是，邓清明是不学我国首批航天员，与杨利伟同一批 ，点火坚守到今天，知识舟号终得圆飞天梦。和人本次发射是聊神空间站建造阶段最后一次载人航天任务 ，让我们预祝发射圆满成功！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 。1 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。2 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 。3 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。这就是F1，如果F1上了F1赛场会咋样 ？| 图源自参考资料然后是液氢/液氧。这个就非常简单粗暴了
，这是当今比冲最高的推进剂组合（实用的），且环保无污染 。液氧/液氢都需要在低温下才能维持液态
，因此采用这种组合的长征五号被大家亲切地称为“冰箭”。液氢的密度非常小 ，所以其体积很大，为此  ，我们有一个密度比冲的概念 ，就是单位体积的推进剂的比冲 ，液氧/液氢的密度比冲并不如煤油/液氧。此外，液氧液氢贮存比较困难，容易挥发。一些推进剂组合的真空理论比冲(s)

最后简单介绍一些其他的推进剂组合首先是液氟。大家应该都清楚 ，要论氧化性，氟才是真正的大哥，所以理论上液氟和液氢才是比冲的最强者 。不过因为氟及氟化物具有剧毒，因此这种推进剂尚未进入实用阶段 。其次是甲烷，甲烷同样是化石燃料，但其相比于煤油结焦极限温度高得多 ，与液氧的在不同的混合比下都不存在积碳，对材料的腐蚀也明显少很多。不过其安全性却比煤油差，价格也比煤油贵 。讲到这，想必液体火箭发动机大家已经有一些了解了 ，不知道大家对固体火箭发动机有没有兴趣呢？有时间我们可以再聊一聊固态火箭发动机 。我挖过的坑我自己看着都害怕 。参考资料：[1]查理.液体火箭发动机技术[J].国防科技,2004(08):25-30.[2]符全军.液体推进剂的现状及未来发展趋势[J].火箭推进,2004(01):1-6.[3]张起源.国外液体推进剂的发展和现状[J].国外导弹与宇航,1980(09):7-15.[4]孙宏明.液氧/甲烷发动机评述[J].火箭推进,2006(02):23-31.[5]神舟十五号乘组名单公布：费俊龙、邓清明、张陆[6]神舟十五号船箭组合体转运至发射区 计划近日择机实施发射[7]关于火箭燃料那点事—液体推进剂的发展与类别 [8]航天煤油RP-1简介编辑：穆梓