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为什么火箭燃料不都用液氢液氧?

归档日期:07-14       文本归类:固体导弹      文章编辑:爱尚语录

  既然液氧液氢是高效环保的燃料,为什么火箭不是全部都用这个?还要用其它高毒剧毒或对环境影响很大的燃料?资料说是因为需要临时灌注,需要低温保存,制备困难,运输困难……等等……液氢液氧在工业和民用都非常普遍了,通常都说灌装常温保存运输,怎么到了火箭上就有那么多苛刻的条件了呢?今天,知乎大牛Phil就来通过分析液氢液氧的优劣势来回答这个问题。

  比冲高,这是题主提到的“高效”的专业说法。比冲是衡量火箭燃烧效率的指标,比冲值越高,消耗同样质量的燃料,产生的冲量越大(即火箭能获得更多的加速)不同燃料的比冲详见下图

  可见液氢液氧(第一个)是唯一比冲超过400的组合,燃烧产物是水。我国现在长征火箭上常用的是第三个,四氧化二氮+偏二甲肼,有剧毒哦~

  这样就扯到了题主提到的环保问题,其实这真的不是什么问题,相比火电厂烧的那些煤,汽车排的那些尾气,一年发射的那几根火箭对环境造成的污染真的是九牛一毛。何况中国的发射场都建在偏远地区,就算火箭变烟花了,也不过毒害了一片沙漠。设计航天器时,是否环保真的只是一个枝梢末节的问题。

  液氢的密度是70 kg/m^3,相比之下煤油(RP1燃料,五号第一级用的)是820 kg/m^3,偏二甲肼是786 kg/m^3。液氢的密度不到别人的十分之一!

  航天飞机的外燃料箱(橙罐)看起来很大,其实非常轻,发射时侧面两个固体助推器就占了全部质量的一半(相比之下固体燃料密度很高),剩下那个大罐子和航天飞机主体瓜分剩下的一半质量。而在橙罐中,那个深色的环往下的部分全部都是液氢,上面则是液氧(密度1141 kg/m^3)

  液氢的沸点是-252摄氏度,先不说自身的储存问题,这个温度首先就使液氢对和他一起装在火箭里的氧化剂非常的“不友好”,比如液氧的冰点是-219度。在一些简单的火箭设计中,燃烧剂和氧化剂的罐子是连在一起的,中间只有一层舱壁。而液氢罐和液氧罐却必须完全分离开,中间留空(所以上面的橙罐上会有一个那么长的深色区域),不然液氢就把隔壁的液氧给冻住了。

  因为极端低温,液氢和液氧的储存比较麻烦,如上图中外置燃料箱上的橙色涂料就是保温涂层。题主说液氢液氧在工业和民用领域非常普遍,这是因为这些领域都在地面上!地上的冷却系统再重也没问题,但是却不能搬到火箭上。实际上,火箭中的燃料罐基本都没有主动冷却,而只有尽量保温。即便如此,通常火箭中液氢罐的保温罐体本身往往可以占到满罐总质量的10%,而别的燃料罐这个值都是个位数(这个也和液氢的低密度有关)。这样一来又浪费一些了液氢高比冲带来的效率

  液氢和液氧被称为Cryogenic Propellant,这类燃料都有个蒸发的问题。前面说到火箭中液氢和液氧罐只能被动保温,而保温再好也是挡不住温度上升的,因此罐子不能完全封闭,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现场注入火箭内的,从那时起燃料罐就开始不断漏气泄压(更正一下图片,发射前的火花是为了消耗掉漏出来的的燃料,而之前那个喷白雾主要是主动泵进引擎用来降温的液氧)

  如果飞行中火箭发动机需要中途关机,等待二次点火,阀门也不能关死。因此液氢液氧只能用作发射燃料,不能在航天器上长期储存,不然就漏光了。像需要长时间运行的空间站,卫星,火星和深空探测器上,是绝对不可能用液氢+液氧的。这些航天器上往往会使用稳定得多的燃料,如广泛用于姿态控制喷口的联氨,比冲只有220,但是冰点2度,沸点114度,长期储存起来就方便的多。

  上文提到的偏二甲肼+四氧化二氮只要发生接触就会直接燃烧,无需点火系统。联氨更是只需要流过喷口前的一块催化剂就可以自主分解燃烧。这种发动机启动时只需要油泵开始工作即可。而液氢液氧发动机每次启动都需要主动点火,这样既增加了发动机的复杂程度,更多了一个可能失效的系统。

  本文授权转载自知乎,作者Phil系佐治亚理工学院 · 航空航天专业学生,如需转载请勿改动文章内容及排版,违者必究

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