運載火箭和航天器用什么作燃料

文//欣 之

同空氣噴氣發(fā)動機相比較，火箭發(fā)動機的最大特點是：它自身既帶燃料，又帶氧化劑，靠氧化劑來助燃，不需要從周圍的大氣層中汲取氧氣。所以它不但能在大氣層內，也可在大氣層之外的宇宙真空中工作。這是任何空氣噴氣發(fā)動機都做不到的。

1950年代，美國研制成功氧化氫和聚乙烯作為火箭發(fā)動機的混合推進劑。1964年法國首先發(fā)射成功采用混合推進劑為動力的氣象火箭。我國“長征一號D”運載火箭第一級、第二級用液體燃料火箭發(fā)動機，第三級用固體燃料火箭發(fā)動機，也是采用混合推進劑。

液體燃燒劑常用“肼”(H2NNH2)。肼是一類含氮的化合物，是一種有毒、有腐蝕性的油狀液體。歐洲的“阿里安”運載火箭，我國的“長征”系列運載火箭的第一、第二級燃料多數(shù)采用偏二甲肼和四氧化二氮的“二元推進劑”。但偏二甲肼毒性較大，損害人體的肝臟。尤其是四氧化二氮/偏二甲肼的燃燒產物，對人體損害更大，并嚴重污染環(huán)境，在灌注操作中非常危險。另外偏二甲肼有腐蝕性，一旦錯過了火箭發(fā)射的“氣象時間窗”一段時間后，就必須更換火箭箭體。偏二甲肼也是目前世界上最普遍使用的火箭燃料。

低溫液體推進劑的技術是衡量一個國家航天技術先進的標志之一。我國的“長征”3號運載火箭第三級就采用液態(tài)氫、液態(tài)氧為推進劑的火箭發(fā)動機，成為世界上第三個掌握控制液態(tài)氫技術的國家。氫是所有元素中最活潑的，要控制好液氫燃燒的難度極高。所以液態(tài)氫一般不作為第一、二級火箭的燃料來使用，避免低空發(fā)射時爆炸的事故。多用作高空航行中高能末級火箭推進劑。

固體火箭發(fā)動機為使用固體推進劑的化學火箭發(fā)動機。固體推進劑有聚氨酯、聚丁二烯、端羥基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。

我國正在研制新一代無污染、大推力火箭發(fā)動機：120噸推力液氧煤油常溫發(fā)動機和50噸推力液氫液氧低溫發(fā)動機。120噸液氧煤油發(fā)動機具有推力大，比沖高的特點，在2006年7月3日完成600秒試車試驗。50噸液氫液氧發(fā)動機具有無污染、高性能的優(yōu)點，在2006年1月15日完成200秒試車。

采用新型燃料的火箭發(fā)動機具有明顯的優(yōu)點。第一，煤油作為常溫推進劑，使用極為方便、安全性好，而甲烷、丙烷、液氫是低溫推進劑，不好貯存，運輸、加注和操作都不方便，泄漏后易起火爆炸；第二，煤油價格便宜，每千克煤油的價格只有偏二甲肼的1/30，可以較大幅度地降低發(fā)動機的研制成本和運載火箭的發(fā)射費用。發(fā)射一顆20噸重的低軌道衛(wèi)星，如用四氧化二氮/偏二甲肼組成的二級半方案，推進劑費需3000萬元，而用全液氧/煤油方案只需100萬元；第三，液氧/煤油組合密度比沖高，是理想的助推級發(fā)動機燃料；第四，我國煤油資源豐富、貯量極大，可滿足長遠的需要；最后，使用液氧/煤油發(fā)動機可完全消除四氧化二氮/偏二甲胼有毒且污染環(huán)境的嚴重不足。

發(fā)射嫦娥三號的長征三號是三級捆綁式液體運載火箭，助推器和子一級、子二級使用四氧化二氮/偏二甲肼推進劑，子三級使用低溫液氧液氫推進劑。

低溫液氧液氫推進劑性能更好，但是價格昂貴，儲存、運輸、加注、發(fā)動機制造都要求更高，各項技術都在不斷攻關中。四氧化二氮/偏二甲肼則是一種很成熟的推進劑了，配套的設備、管理、技術都很完善，用起來安全放心。