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不学点火箭的知识怎么和人聊神舟十五号?

2022/11/29 17:15:14 来源:中科院物理所 作者:穆梓 责编:远生

今天晚上 23:08,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,本次发射将再送 3 名宇航员进入天宫空间站,他们分别是费俊龙邓清明张陆,届时,天宫空间站将史无前例地迎来 6 名航天员同时在岗!这也是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。值得一提的是,邓清明是我国首批航天员,与杨利伟同一批,坚守到今天,终得圆飞天梦。本次发射是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。

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。

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。

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

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。

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,又称联氨 | 图源自参考资料

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。

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

本文来自微信公众号:中科院物理所 (ID:cas-iop),作者:穆梓

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关键词:火箭神舟十五号

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