运载火箭和航天器用什么作燃料

同空气喷气发动机相比较, 火箭发动机的最大特点是:它自身既带燃料, 又带氧化剂, 靠氧化剂来助燃, 不需要从周围的大气层中汲取氧气。所以它不但能在大气层内, 也可在大气层之外的宇宙真空中工作。这是任何空气喷气发动机都做不到的。

1950年代, 美国研制成功氧化氢和聚乙烯作为火箭发动机的混合推进剂。1964年法国首先发射成功采用混合推进剂为动力的气象火箭。我国“长征一号D”运载火箭第一级、第二级用液体燃料火箭发动机, 第三级用固体燃料火箭发动机, 也是采用混合推进剂。

液体燃烧剂常用“肼” (H2NNH2) 。肼是一类含氮的化合物, 是一种有毒、有腐蚀性的油状液体。欧洲的“阿里安”运载火箭, 我国的“长征”系列运载火箭的第一、第二级燃料多数采用偏二甲肼和四氧化二氮的“二元推进剂”。但偏二甲肼毒性较大, 损害人体的肝脏。尤其是四氧化二氮/偏二甲肼的燃烧产物, 对人体损害更大, 并严重污染环境, 在灌注操作中非常危险。另外偏二甲肼有腐蚀性, 一旦错过了火箭发射的“气象时间窗”一段时间后, 就必须更换火箭箭体。偏二甲肼也是目前世界上最普遍使用的火箭燃料。

低温液体推进剂的技术是衡量一个国家航天技术先进的标志之一。我国的“长征”3号运载火箭第三级就采用液态氢、液态氧为推进剂的火箭发动机, 成为世界上第三个掌握控制液态氢技术的国家。氢是所有元素中最活泼的, 要控制好液氢燃烧的难度极高。所以液态氢一般不作为第一、二级火箭的燃料来使用, 避免低空发射时爆炸的事故。多用作高空航行中高能末级火箭推进剂。

固体火箭发动机为使用固体推进剂的化学火箭发动机。固体推进剂有聚氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。

我国正在研制新一代无污染、大推力火箭发动机:120吨推力液氧煤油常温发动机和50吨推力液氢液氧低温发动机。120吨液氧煤油发动机具有推力大, 比冲高的特点, 在2006年7月3日完成600秒试车试验。50吨液氢液氧发动机具有无污染、高性能的优点, 在2006年1月15日完成200秒试车。

采用新型燃料的火箭发动机具有明显的优点。第一, 煤油作为常温推进剂, 使用极为方便、安全性好, 而甲烷、丙烷、液氢是低温推进剂, 不好贮存, 运输、加注和操作都不方便, 泄漏后易起火爆炸;第二, 煤油价格便宜, 每千克煤油的价格只有偏二甲肼的1/30, 可以较大幅度地降低发动机的研制成本和运载火箭的发射费用。发射一颗20吨重的低轨道卫星, 如用四氧化二氮/偏二甲肼组成的二级半方案, 推进剂费需3000万元, 而用全液氧/煤油方案只需100万元;第三, 液氧/煤油组合密度比冲高, 是理想的助推级发动机燃料;第四, 我国煤油资源丰富、贮量极大, 可满足长远的需要;最后, 使用液氧/煤油发动机可完全消除四氧化二氮/偏二甲胼有毒且污染环境的严重不足。

发射嫦娥三号的长征三号是三级捆绑式液体运载火箭, 助推器和子一级、子二级使用四氧化二氮/偏二甲肼推进剂, 子三级使用低温液氧液氢推进剂。

低温液氧液氢推进剂性能更好, 但是价格昂贵, 储存、运输、加注、发动机制造都要求更高, 各项技术都在不断攻关中。四氧化二氮/偏二甲肼则是一种很成熟的推进剂了, 配套的设备、管理、技术都很完善, 用起来安全放心。