液体火箭推进剂
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具有最高比冲的化学火箭使用液体推进剂，称为液体火箭。可分为使用单一化学物质（单组元推进剂），或是两种化学物质的混合（双组元推进剂）。双组元推进剂可进一步划分，第一种为自燃推进剂，当燃料和氧化剂接触时自动点燃。另一种为需要点火的装置的非自燃推进剂。[1]此外，还有三组元推进剂。
不含对特定推进剂的改型（如添加剂、腐蚀抑制剂、稳定剂等的变化）的话，大约有170种不同的推进剂被测试过。仅在美国，至少25种推进剂组合已经在飞行中使用。[2]而近30年来没有新类型的推进剂被使用。[3]
选择液体火箭发动机的推进剂需要考虑许多因素，最为主要的包括易用性、危险性、成本、环保和性能指标等。
歷史
[编辑]20世紀初的發展
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康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基 （Konstantin Tsiolkovsky）於1903年在他的文章《利用火箭裝置探索外層空間》中提出了使用液體推進劑。[4][5]
1926年3月16日，羅伯特·H·戈達德 （Robert H. Goddard）使用液氧（LOX）和汽油作為火箭推进剂，首次部分成功地進行了液體推進劑火箭發射。這兩種推進劑都很容易取得、廉價且能量高。氧气是一种中等程度的低温制冷剂；由于周围空气不会因接触液氧罐而液化，因此液氧可以在火箭中短暂储存，而无需特别厚的绝热层。 [需要解释]
1920年代末，工程師和科學家开始在位於德国吕瑟尔斯海姆的Opel RAK製造和測試火箭。[6]根據馬克斯·瓦利爾的記述，Opel RAK火箭設計師弗里德里希·威廉·桑德（Friedrich Wilhelm Sander）於1929年4月10日和4月12日在吕瑟尔斯海姆的Opel Rennbahn發射了兩枚液體燃料火箭。[7]
二戰時期
[编辑]德国在第二次世界大战前及战争期间进行了非常活跃的火箭研发，涉及战略性V-2火箭及其他导弹。V-2使用酒精/液氧（LOX）作为液体推进剂，并以过氧化氢驱动燃料泵。[8]酒精与水混合用于发动机冷却。德国和美国都开发了可重复使用的液体火箭发动机，这些发动机使用一种可储存的液体氧化剂，其密度远大于液氧，并配合一种在接触高密度氧化剂时会自燃的液体燃料。[來源請求]
德国主要的军事用途火箭发动机制造商——HWK公司[9]制造了RLM编号的109-500系列火箭发动机系统，其中一部分使用过氧化氢作为单组元推进剂，用于Starthilfe火箭助推起飞系统；[10]另一部分用于MCLOS制导的空海两用滑翔炸弹;[11] 还有一部分采用双组元推进系统，使用过氧化氢作为氧化剂，并以联氨水合物和甲醇混合作为燃料，供有人驾驶战斗机的火箭发动机使用。而美国的发动机则设计采用了一种双组元推进剂组合，其中硝酸作为氧化剂，苯胺作为燃料。
这两种发动机都用于航空器推进：德国的华特509系列发动机被用于Me 163“彗星”战斗机，而两国的RATO系统（例如德国空军的Starthilfe系统）则用于辅助飞机起飞。这实际上也是美国液体燃料火箭发动机的主要用途，而其中许多技术源自美国海军军官罗伯特·特鲁克斯（Robert Truax）的构想。[12]
1950年代和1960年代
[编辑]在1950年代和1960年代，推進劑化學家開展了大量研究，尋找更適合軍事用途的高能液體和固體推進劑。大型戰略飛彈需要在陸基或潛射导弹发射井中存放多年，以便能夠在接到通知後立即發射。需要持續冷却的推進劑會導致火箭表面不断积累冰层，因此并不实用。由於軍方願意處理和使用危險材料，危險化學品被大量合成，但大部分最終被認為不適合作战系統。[來源請求]
以硝酸（HNO
3）为例，其本身不穩定，會腐蝕大多數金屬，使其储存变得困难。加入少量四氧化二氮（N
2O
4）后，混合物呈红色，并且能够保持其成分不变，这被称为红烟硝酸（IRFNA）。但其仍然存在一个问题，即硝酸会腐蚀储罐，释放出气体，可能在过程中产生压力。突破性进展是加入少量氟化氢（HF），它在罐壁内部形成自密封的金属氟化物，抑制了红烟硝酸的反应。这使得其可以被储存。
随后，基于IRFNA或纯四氧化二氮作为氧化剂，搭配煤油或自燃的苯胺、联氨或偏二甲肼作为燃料的推进剂组合被美国和苏联采用，用于战略和战术导弹。这些可储存的双组元液体自燃推进剂的比冲略低于液氧/煤油组合，但具有更高的密度，因此可以在同样大小的储罐中存储更多的推进剂。汽油则被不同的碳氢化合物燃料替代，例如RP-1——一种高度精炼的煤油。这种组合对于不需要长期储存的火箭来说非常实用。
参考文献
[编辑]- ^ Larson, W.J.; Wertz, J.R. Space Mission Analysis and Design. Boston: Kluver Academic Publishers. 1992.
- ^ Sutton, G. P. History of liquid propellant rocket engines in the united states. Journal of Propulsion and Power. 2003, 19 (6): 978–1007. doi:10.2514/2.6942.
- ^ Sutton, E.P; Biblarz, O. Rocket Propulsion Elements. New York: Wiley. 2010.
- ^ Tsiolkovsky, Konstantin E. (1903), "The Exploration of Cosmic Space by Means of Reaction Devices (Исследование мировых пространств реактивными приборами)", The Science Review (in Russian) (5), archived from the original on 19 October 2008, retrieved 22 September 2008
- ^ Zumerchik, John (编). Macmillan encyclopedia of energy
. New York: Macmillan Reference USA. 2001. ISBN 0028650212. OCLC 44774933.
- ^ MJ Neufeld. The Rocketry and Spaceflight Fad in Germany, 1923-1933 (PDF).
- ^ Valier, Max. Raketenfahrt. : 209–232. ISBN 978-3-486-76195-5. doi:10.1515/9783486761955-006 （德语）.
- ^ Clark, John Drury. Ignition!: An Informal History of Liquid Rocket Propellants. Rutgers University Press. 23 May 2018: 302. ISBN 978-0-8135-9918-2.
- ^ British site on the HWK firm
- ^ Walter site-page on the Starthilfe system
- ^ Wlater site-page on the Henschel air-sea glide bomb
- ^ Braun, Wernher von (Estate of); Ordway III; Frederick I. Space Travel: A History. & David Dooling, Jr. New York: Harper & Row. 1985: 83, 101 [1975]. ISBN 0-06-181898-4.
外部链接
[编辑]- Cpropep-Web an online computer program to calculate propellant performance in rocket engines
- Design Tool for Liquid Rocket Engine Thermodynamic Analysis is a computer program to predict the performance of the liquid-propellant rocket engines.
- Clark, John D. Ignition! An Informal History of Liquid Rocket Propellants (PDF). Rutgers University Press. 1972: 214 [2017-09-23]. ISBN 0-8135-0725-1. （原始内容 (PDF)存档于2020-05-15）. for a history of liquid rocket propellants in the US by a pioneering rocket propellant developer.