液體推進(jìn)劑發(fā)展現(xiàn)狀*

王慧琴，張 靜，段永亮，安良成

（國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏銀川750411）

推進(jìn)劑是航空航天及國防領(lǐng)域（如戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈）的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。從中國古代使用的黑火藥火箭直到今天的各類航天飛行器與武器，如航天飛機、載人飛船、洲際導(dǎo)彈、反導(dǎo)武器、魚雷、各類衛(wèi)星以及大口徑火炮、無人飛機，都離不開推進(jìn)劑作動力源。

推進(jìn)劑可分為固體推進(jìn)劑和液體推進(jìn)劑，液體推進(jìn)劑是當(dāng)今世界上使用最廣泛、用量最大的推進(jìn)劑[1]。其在航天器的研究、設(shè)計、試驗和使用等各個階段都占據(jù)重要地位。以液體推進(jìn)劑作為動力源的液體火箭具有比沖大、推力可調(diào)、可多次點火啟動和推力易控制等優(yōu)點，在宇航領(lǐng)域有著獨一無二的優(yōu)越性。

1 液體推進(jìn)劑分類

液體推進(jìn)劑的分類方式較多，可按組元種類、組元保持液態(tài)的溫度范圍、用途以及組元的化學(xué)反應(yīng)能力等進(jìn)行分類，其中前兩種是比較普遍的分類方法。

根據(jù)組元種類可分為單組元推進(jìn)劑和雙組元推進(jìn)劑兩大類，單組元推進(jìn)劑通過自身分解或者燃燒進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生工質(zhì)。雙組元推進(jìn)劑由氧化劑和燃料組成，氧化劑通常為液氧和液氟等，燃料通常為液氫、肼類和碳?xì)浠衔锏取６叻謩e貯存于不同的貯箱，并有不同的輸送管路。根據(jù)氧化劑和燃料在直接接觸時的化學(xué)反應(yīng)能力，可將雙組元推進(jìn)劑進(jìn)一步細(xì)分為自燃和非自燃兩大類。在火箭發(fā)動機使用條件下，自燃推進(jìn)劑中的氧化劑和燃料被同時噴入發(fā)動機燃燒室相互接觸后，不需要點火系統(tǒng)，即可立即自燃點火進(jìn)入額定工作狀態(tài)，不僅簡化了發(fā)動機的設(shè)計而且更加安全可靠。

根據(jù)組元保持液態(tài)的溫度范圍，推進(jìn)劑可分為高沸點和低沸點推進(jìn)劑。高沸點推進(jìn)劑的組元沸點要求高于298 K（25℃），在地面使用條件下是液態(tài)，無蒸發(fā)損失?？稍诿芊赓A箱中貯存較長時間。在標(biāo)準(zhǔn)壓力下，沸點低于298 K的推進(jìn)劑為低沸點推進(jìn)劑。

根據(jù)液體推進(jìn)劑的貯存性能，可分為地面可貯存液體推進(jìn)劑、空間可貯存液體推進(jìn)劑和不可貯存液體推進(jìn)劑。

2 液體推進(jìn)劑的發(fā)展歷程

人類最早使用的推進(jìn)劑是固體推進(jìn)劑，直到1900年以后，液體火箭才正式開始研究。俄國的齊奧爾可夫斯基和德國的阿伯爾等創(chuàng)立了火箭理論，建立了許多火箭構(gòu)造和星際航行的新概念，并提出了近代液體火箭發(fā)動機的再生冷卻夾套燃燒室以及用氧、氫、汽油、酒精、柴油等作推進(jìn)劑，他們?yōu)橐后w火箭的最初發(fā)展做出了奠基性的貢獻(xiàn)[2]。從1900年到現(xiàn)在，液體推進(jìn)劑的發(fā)展歷程大致可分為以下 4 個階段。

2.1 液體推進(jìn)劑的初步研究和應(yīng)用時期

20世紀(jì)初直到1957年是液體推進(jìn)劑的研究初期。這個時期推進(jìn)劑的主要研究成果是中能低溫推進(jìn)劑（即液氧與煤油或酒精）和單元推進(jìn)劑過氧化氫（括高錳酸鉀催化劑）。該時期主要液體推進(jìn)劑有氧化劑：液氧和硝酸（白煙和紅煙硝酸）；燃燒劑：甲醇、水合肼、液氨、苯胺–糖醇、煤油、酒精、混胺（混胺–02，MAF–1、3、4）、油肼（JP–X）等；單元推進(jìn)劑：過氧化氫、硝酸正丙酯和硝酸異丙酯等，液氧與煤油或酒精組合是其中比沖較高的液體推進(jìn)劑，也是前蘇聯(lián)和美國用于發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星的推進(jìn)劑[3-4]。

2.2 液體推進(jìn)劑的大發(fā)展時期（1957～1969年）

1957～1969年可以說是液體推進(jìn)劑的大發(fā)展時期。在這期間前蘇聯(lián)先后研制了以紅煙硝酸/偏二甲肼、四氧化二氮/偏二甲肼或混肼作為推進(jìn)劑的火箭發(fā)動機，用作洲際導(dǎo)彈的動力裝置。美國對推進(jìn)劑進(jìn)行了全面研究，包括可貯推進(jìn)劑（如硝基和氟基氧化劑、肼類燃料和膠體燃料 ）、高能低溫推進(jìn)劑（如液氟、液氫）、單元推進(jìn)劑（如肼、有機二氟胺基化合物、Otto-Ⅱ）、三元推進(jìn)劑（如液氧-鈹粉-液氫）以及固液推進(jìn)劑（如高氯酸硝酰與肼）。1967年7月16日，美國成功地發(fā)射了載人登月宇宙飛船。大發(fā)展時期推進(jìn)劑的主要研究成果有高能低溫推進(jìn)劑液氧與液氫、中能可貯推進(jìn)劑硝基氧化劑與肼類燃料、單元推進(jìn)劑Otto-Ⅱ和肼。研究和應(yīng)用的主要液體推進(jìn)劑包括氧化劑：液氟、二氟化氧、液氧、四氟化肼、過氯酰氟、五氟化氯、三氟化氯、四氧化二氮、紅煙硝酸和過氧化氫等；燃燒劑：液氫、二硼氫、五硼氫、肼、甲基肼、偏二甲肼、煤油、酒精和鋁-肼膠體等[2-4]。

2.3 對現(xiàn)有液體推進(jìn)劑性能改進(jìn)和繼續(xù)研究高能推進(jìn)劑時期

20 世紀(jì)70年代至80年代，各國對推進(jìn)劑的研究重點集中于改進(jìn)已有的液體推進(jìn)劑和繼續(xù)研究高能液體推進(jìn)劑。前者即性能改進(jìn)，比如降低冰點和沖擊敏感，提高沸點、密度、能量、貯存性能和熱穩(wěn)定性，改進(jìn)緩蝕劑、冷卻和燃燒性能等。后者主要從氧化劑和燃燒劑兩方面進(jìn)行研究[2-4]。

2.4 研發(fā)環(huán)境友好的綠色高能推進(jìn)劑時期

20世紀(jì)80年代以后，對液體推進(jìn)劑的研究主要集中于綠色高能推進(jìn)劑。目前國內(nèi)外使用和正在研制的無毒環(huán)境友好型液體推進(jìn)劑有如下幾類：

（1）過氧化氫基推進(jìn)劑。過氧化氫是一種環(huán)境友好的液體推進(jìn)劑，其分

解放出氧氣和水，因此既可用作氧化劑又可用作單組元推進(jìn)劑。過氧化氫基雙組元液體推進(jìn)劑包括過氧化氫/醇類、過氧化氫/疊氮胺類和過氧化氫/煤油等。過氧化氫/醇類雙組元液體推進(jìn)劑在國外的研究以美國海軍空戰(zhàn)中心(NAWC)為代表，目標(biāo)是用于“海軍導(dǎo)彈防御系統(tǒng)”(DACS)[5-6]。中國航天液體推進(jìn)劑研究中心對過氧化氫//醇類雙組元推進(jìn)劑進(jìn)行了深入的研究，已找到合適的添加劑和催化劑。研究發(fā)現(xiàn)過氧化氫/丁醇推進(jìn)劑具有自燃特性，以及點火延滯期短，廉價、環(huán)保、高能、冰點低（- 58℃）、沸點高（117℃）和穩(wěn)定等優(yōu)點[6]。疊氮類有機化合物（如N (N3)3、HN(N3)2、NO2N3、B2H2(N3)4等）是一種帶有疊氮基團(tuán)（-N3）的新型含能材料。引入疊氮基既能提高推進(jìn)劑的能量和燃速，又能降低推進(jìn)劑的火焰溫度，此外疊氮類有機化合物毒性低，具有優(yōu)良的比沖性能和自燃性能，使用前景廣闊。美國已成功地完成了過氧化氫/疊氮胺推進(jìn)劑火箭發(fā)動機實驗，并準(zhǔn)備將疊氮推進(jìn)劑用于空中導(dǎo)彈和潔凈助推器[7]。

（2）一氧化二氮雙組元液體推進(jìn)劑，N2O 是一種無毒、安全綠色推進(jìn)劑，可用于冷氣推進(jìn)、單組元推進(jìn)、固液推進(jìn)和電阻加熱推進(jìn)等推進(jìn)系統(tǒng)模式。N2O 作為雙組元推進(jìn)劑在國際上應(yīng)用較早，因自燃問題未解決，只能采用催化點火或火箭起動器點火，故不適用于脈沖方式工作的自控發(fā)動機。美國研制了N2O/丙烷火箭發(fā)動機（NOP），利用N2O催化分解作為丙烷的點火系統(tǒng)，并建議用N2O/丙烷推進(jìn)劑組合替代目前空間推進(jìn)系統(tǒng)使用的自燃推進(jìn)劑、低溫推進(jìn)劑或固體推進(jìn)劑[5-8]。

（3）硝酸羥胺（HAN）基單組元液體推進(jìn)劑，此類推進(jìn)劑為HAN、燃料（如醇類、硝酸三乙醇胺和甘氨酸等）和水的混合物。具有無毒、能量高、性能易調(diào)節(jié)、貯存和后勤供應(yīng)方便、冰點低、密度比沖高、常壓下不敏感、貯存安全、和無著火爆炸危險等優(yōu)點。在NASA的綜合高性能火箭推進(jìn)技術(shù)（IHPRPT）項目支持下，美國研究的硝酸羥胺/甘氨酸/水體系（水含量 26.0%），已被選用在Spartan Lite衛(wèi)星軌道上升系統(tǒng)上。我國從上世紀(jì) 90年代末開始對硝酸羥胺基推進(jìn)劑進(jìn)行探索性研究[9]。中國航天液體推進(jìn)劑研究中心制備了 HAN 基單組元推進(jìn)劑樣品，與中科院大連化物所合作進(jìn)行過多次發(fā)動機催化點火試驗，并對催化劑進(jìn)行了研究，積累了豐富的經(jīng)驗[5-10]。

（4）二硝酰胺銨（ADN）基單組元推進(jìn)劑。ADN具有較高的吸濕性 ,可將其溶解于水中，再添加適當(dāng)?shù)娜剂蠌亩纬蓡谓M元液體推進(jìn)劑。ADN不含鹵素，具有能量密度高、高溫穩(wěn)定性好和毒性小等優(yōu)點。此外燃燒時不產(chǎn)生煙，能大幅提高推進(jìn)劑的能量，降低特征信號和減少環(huán)境污染，特別適用于低污染的航天飛機助推系統(tǒng)和空間運輸動力系統(tǒng)。ADN最早由前蘇聯(lián)成功合成，但是很快引起了西方各國的興趣，并進(jìn)行研究。瑞典研究的代號為 LM P-101的ADN基單組元液體推進(jìn)劑由61%（質(zhì)量分量，下同）ADN、26%水和13% 丙三醇組成。火箭發(fā)動機試驗表明這種推進(jìn)劑具有點火快、能量高、無毒、燃燒完全且排氣清潔、不污染環(huán)境等優(yōu)點[11]。在ADN、水和燃料組成的三元混合物中，可選的燃料很多。燃料不同，ADN在水和燃料混合物中的溶解度不同，因此必須研究每種燃料在給定溫度下對 ADN 溶解度的影響，進(jìn)行推進(jìn)劑配方試驗研究，測試特性，研究點火和燃燒性能[5]。

（5）硝仿肼（HNF）基推進(jìn)劑。與HAN和ADN基推進(jìn)劑相比，HNF 作為純氧化劑比沖最大，且制備方法比ADN簡單，不吸濕，有較高的密度和熔點[12]。

（6）液氧/烴類無毒推進(jìn)劑。烴類推進(jìn)劑具有來源廣泛、成本低廉、組合密度高、比沖性能高、無毒安全環(huán)保和耐儲存性能好等優(yōu)點。液氧/烴類推進(jìn)劑主要包括液氧/煤油、液氧/甲烷、液氧/丙烷、液氧/液態(tài)甲烷和液氫等[13]。美國的宇宙神-5( Atlas-5)、德爾塔-2(Delta-2)、獵鷹-9( Falcon-9)、安塔瑞斯(Antares)和俄羅斯的聯(lián)盟號(Soyuz) 、安加拉( Angara) 等系列運載火箭的芯級和助推級動力都采用了液氧/烴推進(jìn)劑組合[13-16]。液氧/煤油推進(jìn)劑是使用較為廣泛的一類烴類推進(jìn)劑。迄今為止，蘇聯(lián)和美國已成功研制了諸如土星-5運載火箭的F-1燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)發(fā)動機和N–1運載火箭的NK–33補燃循環(huán)發(fā)動機等多種具有歷史意義的液氧/煤油發(fā)動機，其中RD–170高壓補燃循環(huán)發(fā)動機在一定程度上可稱為液氧煤油火箭發(fā)動機技術(shù)水平的標(biāo)桿[13-14]。中國長征五號運載火箭基于120噸級推力的YF–100液氧煤油發(fā)動機和50噸級推力的YF–77液氫液氧發(fā)動機研制，長征五號作為中國運載火箭更新?lián)Q代、追趕國際先進(jìn)水平的關(guān)鍵一步，在主要性能指標(biāo)上已經(jīng)達(dá)到或超過國際主流大型運載火箭的水平[17]。

3 結(jié)論與展望

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展以及我國新一代運載火箭陸續(xù)投入使用，研發(fā)環(huán)境友好無毒無污染推進(jìn)劑成為液體推進(jìn)劑的發(fā)展趨勢。液氧/烴類無毒推進(jìn)劑是未來高性能低成本航天運輸系統(tǒng)推進(jìn)劑組合的發(fā)展趨勢，其中高性能液氧煤油推進(jìn)劑因具有密度高、常溫可貯存、來源廣泛、綠色低毒和安全等諸多優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用前景。因而航天煤油需求量逐年增加，鑒于我國“多煤、少油、缺氣”的能源特征，克拉瑪依油田是我國航天煤油的唯一來源，一旦油井及貯運遭到破壞，存在無油可用風(fēng)險。此外，克拉瑪依油田地處西部邊陲，與俄羅斯境內(nèi)油田同處一個成油帶，資源枯竭的風(fēng)險也較高。為了保障液體燃料的可持續(xù)供應(yīng)以及多渠道供應(yīng)，開發(fā)新的航天液體燃料勢在必行。