助力火箭，推動(dòng)夢(mèng)想
——神秘的助推劑

吳亞男，冉學(xué)成，高娟娟，趙雯，王俊科，宗盈曉,＊，陳建成

1河西學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 張掖 734000

2甘肅省河西走廊特色資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 張掖 734000

3南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南京 210023

在古老的絲綢之路上，位于祁連山腳下的河西走廊，生存著朱雀家族，他們以飛天神女為家族的守護(hù)神，把“飛天”作為家族的使命。他們的家族在宋朝就把裝有火藥的筒綁在箭桿上，利用火藥燃燒向后噴火使箭飛得更遠(yuǎn)。

到了20世紀(jì)，火箭已經(jīng)成為飛向太空的飛行器，還可以運(yùn)載氣象衛(wèi)星、航天飛船，成為人類探索太空的重要工具?；鸺苌?，主要是助推劑的作用，助推劑主要的成分是燃料和氧化劑，還包含一些穩(wěn)定劑、增塑劑，在發(fā)射火箭的時(shí)候，點(diǎn)燃助推劑，燃燒產(chǎn)生的大量高壓燃?xì)鈴陌l(fā)動(dòng)機(jī)噴管高速噴出，所產(chǎn)生的反作用力，使火箭騰空而起，飛出地球[1]。

朱雀家族成立了藍(lán)箭基地(LANDSPACE)，對(duì)火箭助推劑進(jìn)行研究，目前的任務(wù)就是要找到更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)、更安全的助推劑。2023年7月12日，藍(lán)箭基地的“朱雀二號(hào)遙二運(yùn)載火箭”在酒泉成功發(fā)射。就在這一天，懷揣夢(mèng)想的小朱雀帶著激動(dòng)的心情來(lái)到了基地，講解員是志愿者張航，他是朱雀大學(xué)航天燃料專業(yè)的大三學(xué)生，今天他的任務(wù)不但是要給小朱雀普及火箭助推劑的知識(shí)，更重要的是激起他們對(duì)科學(xué)的向往和探索的興趣。

1 汽油液氧第一飛

一進(jìn)基地，在第一張展板前，看到了世界第一枚火箭的字樣，張航為大家講解道：“世界上第一枚火箭是由美國(guó)科學(xué)家羅伯特·戈達(dá)德在馬薩諸塞州的奧本發(fā)射升空的，飛行延續(xù)了約2.5 s，最大高度為12.5 m，飛行距離為56 m?！痹捯粑绰洌≈烊妇鸵蓡?wèn)連連：

“只有12 m高？”

“飛行了56 m遠(yuǎn)？”

“時(shí)間好短呀！”

張航聽見(jiàn)小朱雀的議論笑著說(shuō)：“這枚火箭采用的是汽油和液氧作為助推劑，燃燒的方程式如圖1所示，需要安裝打火裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和攜帶的燃料都不是很充分。戈達(dá)德一生熱愛(ài)火箭技術(shù)，他設(shè)計(jì)的小推力火箭最高升空約2 km，獲得了214項(xiàng)專利，也是他計(jì)算出火箭必須具有每秒7.9 km的速度才能克服地球引力[2]。”小朱雀有點(diǎn)不好意思，停止了議論，臉上顯出崇拜的表情。

這時(shí)，有一個(gè)小朱雀小聲說(shuō)：“可是，2 km也還是不高啊，連月亮都到不了……，能不能多帶些汽油？”

張航給了他一個(gè)鼓勵(lì)的眼神，告訴他們：“汽油很容易揮發(fā)，用來(lái)做火箭燃料是不安全的，所以后來(lái)的火箭都不用汽油了。煤油不容易揮發(fā)，是可以做火箭燃料的?！?/p>

2 液氧煤油有實(shí)力

說(shuō)著就來(lái)到了俄羅斯質(zhì)子號(hào)系列火箭的展示區(qū)，張航指著第二張展板告訴大家，俄羅斯的航天技術(shù)力量很雄厚，質(zhì)子號(hào)火箭有很多型號(hào)，其中，BlockDM采用煤油和液氧作助推劑，煤油沸點(diǎn)高，不容易揮發(fā)，運(yùn)輸很方便，反應(yīng)按照?qǐng)D2的方程式進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)生的推力比汽油釋放的推力大，而且，煤油價(jià)格適中，每噸的價(jià)格在6000元左右。

圖2 煤油與液氧的燃燒反應(yīng)方程式

這時(shí)候，好學(xué)的小朱雀又提問(wèn)道：“空氣中就有氧氣，為什么要用液氧？”

這一次張航?jīng)]有急著回答，而是反問(wèn)他們：“你們剛才不是說(shuō)，要讓火箭多帶一些助推劑，要飛得更高更遠(yuǎn)嗎？”小朱雀恍然大悟，將空氣液化分離得到的液氧如果裝入氧貯箱內(nèi)，同樣體積的容器可以容納更多的液氧。這時(shí)，張航又告訴他們：“燃料和氧化劑都是液體，方便儲(chǔ)存，而且也有利于釋放，只要在容器上安裝開關(guān)，就能以氣體形式釋放，還可以控制釋放的量和速度，然后利用點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃?！?/p>

小朱雀都點(diǎn)著頭，這時(shí)旁邊有一位朱雀叔叔參觀者向張航提問(wèn)：“以前用煤油燈的時(shí)候，煤油燃燒會(huì)有黑煙放出來(lái)，這會(huì)不會(huì)影響火箭？”

這句話引起了一個(gè)小朱雀的興趣，指著第一張和第二張展板前面兩個(gè)展板上的方程式說(shuō)：“煤油燃燒產(chǎn)生的都是氣體，并沒(méi)有黑色的物質(zhì)，那是什么？”

另外一個(gè)小朱雀不等張航回答，就躍躍欲試地說(shuō)：“那是碳，是不完全燃燒的產(chǎn)物！”

張航贊同地說(shuō)道：“是的，就是碳！煤油液氧助推劑有很多優(yōu)點(diǎn)，推力也很大，我國(guó)的‘長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭’就是使用這種助推劑成功進(jìn)行了‘嫦娥計(jì)劃探月工程’，但是這種助推劑會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)和管道積碳，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用[3]。”

小朱雀擔(dān)憂了，他們知道這樣會(huì)增加火箭的運(yùn)行成本。張航覺(jué)得今天的小朱雀?jìng)兲蓯?ài)了，是愛(ài)科學(xué)的好寶寶，他趕快指著另一邊的第三張展板說(shuō)：“科學(xué)家們已經(jīng)找到了更加清潔的燃料了?！?/p>

3 氫氧結(jié)合變綠能

小朱雀迅速集中到第三張展板前這個(gè)展區(qū)，這里展示的是長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭，使用的助推劑就是液氧和液氫，張航耐心地給大家介紹：“大家看圖3這個(gè)方程式，液氫燃燒后的最終產(chǎn)物只有水蒸氣，沒(méi)有污染，液氫的密度是70.85 kg?m-3，要比一般液體燃料(汽油)輕40%左右，但是它的熱值很高，是汽油的3倍。產(chǎn)生的推力很大[4]。”

圖3 液氫與液氧的燃燒反應(yīng)方程式

小朱雀也很高興，這樣不僅解決了發(fā)動(dòng)機(jī)的清潔問(wèn)題，而且還可以讓火箭攜帶更多的燃料。可是沒(méi)高興多大一會(huì)兒，張航就拋出了一個(gè)問(wèn)題：“你們知道氫氣是怎么得來(lái)的嗎？”小朱雀?jìng)冄杆倩貞浕瘜W(xué)課上所學(xué)的知識(shí)，有的說(shuō)水煤氣法，有的說(shuō)電解水，有的說(shuō)電解食鹽水，張航以電解水制氫氣為例告訴大家，這種方法消耗的電能很大，而且很容易跟氧氣混合，得到的氫氣不純。目前，作為火箭燃料的液氫大部分是通過(guò)將煉油廠和化肥廠的馳放氣分離，然后將分離的氫氣壓縮得到，成本高，而且，液氫是低溫液體，常溫會(huì)沸騰；會(huì)使儲(chǔ)存液氫的金屬罐發(fā)生“氫脆”，還會(huì)發(fā)生爆燃；液氧也是低溫液體，這些都為液氫液氧助推劑的儲(chǔ)存和灌裝帶來(lái)了很大的困難[5]。

4 偏二甲肼占市場(chǎng)

這時(shí)，張航領(lǐng)大家來(lái)到一個(gè)很大的展板，這里出現(xiàn)的火箭有“阿里安”運(yùn)載火箭、“長(zhǎng)征二號(hào)”“泰坦火箭”，看著這些名字，小朱雀興奮了起來(lái)，這可是把航天員送入太空的火箭啊！大家都想知道，它們的助推劑是什么。張航指著圖4展示的化學(xué)方程式告訴大家，這一種助推劑中的燃料叫做偏二甲肼，氧化劑是四氧化二氮。

圖4 偏二甲肼和四氧化二氮的燃燒反應(yīng)方程式

這時(shí)張航神秘地問(wèn)大家：“你們看看圖4這個(gè)方程式和前面的有什么不同？”

小朱雀?jìng)儫崃矣懻?，還有的跑到前面的展臺(tái)去做對(duì)比，終于，有一個(gè)小朱雀說(shuō)：“這個(gè)反應(yīng)的條件不需要點(diǎn)火！”

張航說(shuō)：“是的，用偏二甲肼做燃料，只需要加入四氧化二氮，不需要在發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝打火器就能實(shí)現(xiàn)燃燒，產(chǎn)物的氣體量大，在燃燒的高溫下，能產(chǎn)生巨大的推力，而且不會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)和管道污染。”

小朱雀?jìng)円呀?jīng)熟悉張航的套路，不再盲目高興，提問(wèn)道：“這種推進(jìn)劑是不是也有缺點(diǎn)？”

還沒(méi)等張航回答，小朱雀就從展板上找到了答案，指著展板上的劇毒符號(hào)，一本正經(jīng)地說(shuō)：“我知道，偏二甲肼有劇毒，有腐蝕性[6]?！?/p>

“有毒？那為什么還要用呢，而且那么多火箭都在用？”

張航趕快安撫大家：“咱們的化學(xué)品都有規(guī)定的儲(chǔ)存條件和安全操作的規(guī)范，只要嚴(yán)格遵守，就會(huì)安全的?！?/p>

然后又補(bǔ)充說(shuō)：“這種助推劑是常溫液體，方便儲(chǔ)存和攜帶，我國(guó)的空間站就是使用這種燃料，而且使用這種燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)很穩(wěn)定，長(zhǎng)征二號(hào)火箭發(fā)射了15次，都沒(méi)有出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障，是我國(guó)唯一的載人火箭[7]?！?/p>

聽到這里，小朱雀知道了這些助推劑都能用來(lái)發(fā)射火箭，但是，各有優(yōu)點(diǎn)，也各有缺點(diǎn)，沒(méi)有一種是完美的。那有沒(méi)有既安全，又便宜的助推劑呢？

看著小朱雀?jìng)兛鄲赖谋砬椋瑥埡教岣吡寺曇簦骸按蠹覄e忘了，今天，咱們藍(lán)箭發(fā)射了朱雀二號(hào)，它的助推劑可是很棒的奧！”

5 液氧甲烷展神威

大家激動(dòng)地來(lái)到最后一個(gè)展板前，這里是“朱雀二號(hào)”的展區(qū)，張航的聲音帶著自豪：“朱雀二號(hào)火箭用的助推劑是液氧甲烷，甲烷就是咱們家中做飯用的天然氣，咱們國(guó)家的天然氣儲(chǔ)量豐富，所以價(jià)格便宜，將甲烷液化，可以和液氧一起作為推進(jìn)劑，在火箭升空時(shí)，把液態(tài)甲烷和液氧的開關(guān)打開，讓它們?cè)谌紵一旌宵c(diǎn)燃，反應(yīng)就會(huì)按照?qǐng)D5的方程式進(jìn)行，反應(yīng)釋放的能量就可以驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)了，而且，它們的混合比例也可以通過(guò)開關(guān)調(diào)節(jié)?！?/p>

圖5 液氧和甲烷的燃燒反應(yīng)方程式

“為什么要調(diào)節(jié)呢？”小朱雀提問(wèn)道。

“調(diào)節(jié)甲烷和氧氣的比例，是為了讓它們充分燃燒，充分燃燒的產(chǎn)物都是氣體，而且沒(méi)有污染，如果不充分燃燒，也會(huì)有積碳問(wèn)題的?！睆埡交卮?。

小朱雀露出明白了的表情，說(shuō)：“這樣的話，液氧甲烷的發(fā)動(dòng)機(jī)就可以回收后循環(huán)再使用，大大節(jié)約了成本，而且甲烷也不貴，液氧的獲取也很方便，朱雀二號(hào)在成本上占了很大的優(yōu)勢(shì)。”

另外一個(gè)小朱雀說(shuō)：“還沒(méi)有毒，很環(huán)保！”

張航贊同地點(diǎn)頭，繼續(xù)給大家講解：“優(yōu)點(diǎn)還不止這些，液態(tài)甲烷和液氧的沸點(diǎn)分別是-161 °C和-183 °C，溫度接近，儲(chǔ)存和維護(hù)的成本也低；液態(tài)甲烷的密度是0.716 g?mL-1，密度比較大，裝液態(tài)甲烷的罐體積就較小，對(duì)于火箭來(lái)講，就是自重減輕了，這也是個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)[8]?！?/p>

“真好！”小朱雀?jìng)冇芍缘刭潎@。

張航又一次拔高了聲音：“朱雀二號(hào)是全球首枚成功入軌飛行的液氧甲烷火箭，液氧甲烷推進(jìn)劑和發(fā)動(dòng)機(jī)以及很多的材料、工藝都是由咱們藍(lán)箭基地研究開發(fā)成功的，朱雀二號(hào)的成功發(fā)射標(biāo)志著咱們中國(guó)運(yùn)載火箭在新型低成本液體推進(jìn)劑應(yīng)用方面取得了重大突破！”

聽到這里，小朱雀?jìng)儾挥勺灾鞯責(zé)崃夜恼疲∧樢布?dòng)得通紅，大家都在為藍(lán)箭基地的發(fā)射成功祝賀！

這時(shí)，張航的語(yǔ)氣變得沉著了，他告訴小朱雀，盡管液氧甲烷作為推進(jìn)劑有著顯著的優(yōu)勢(shì)，但是，液氧甲烷的發(fā)動(dòng)機(jī)卻面臨很多的挑戰(zhàn)，比如冷卻方式、氣體混合比、氣體噴注器、復(fù)合材料的選擇等很多技術(shù)問(wèn)題需要優(yōu)化[9]。在2022年12月14日，朱雀二號(hào)的第一次發(fā)射就因?yàn)槎?jí)游機(jī)異常關(guān)機(jī)故障發(fā)射失敗了。

“但是，藍(lán)箭基地的科學(xué)家頂住了壓力，通過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)，積累了大量的數(shù)據(jù)，改進(jìn)再改進(jìn)，優(yōu)化再優(yōu)化，終于實(shí)現(xiàn)了成功的發(fā)射，科學(xué)家的鉆研精神值得我們學(xué)習(xí)！”張航的語(yǔ)氣再一次激昂起來(lái)。

6 尾聲

帶著興奮的心情，小朱雀又在張航的帶領(lǐng)下了解了甲基肼、1,2-二甲基肼等火箭燃料，還了解到助推劑中還要加入液氮、液氦用以保護(hù)和吹掃，還有氨等冷卻劑……，收獲滿滿。參觀快要結(jié)束了，張航感謝小朱雀的虛心好問(wèn)，小朱雀也感謝張航為大家介紹各種火箭助推劑的比較，但是，小朱雀又產(chǎn)生了很多新的疑問(wèn)。

“助推劑在太空的低溫中能不能穩(wěn)定？”

“一枚火箭能不能使用兩種助推劑？”

“空間站里的助推劑怎么補(bǔ)充？”

“火星上也有甲烷，是不是可以實(shí)現(xiàn)火星旅行？”

“太空中氫元素的含量很高，空間站可不可以捕捉太空中的氫來(lái)使用？”

“為什么火箭發(fā)射時(shí)有的火焰是藍(lán)色的？有的是紅色的？”

“火箭的材料是什么？為什么不怕火？”

……

一個(gè)又一個(gè)大膽的想法讓張航招架不住，他暗暗下決心，繼續(xù)努力學(xué)習(xí)，畢業(yè)后，加入藍(lán)箭基地，為家族的使命和國(guó)家的強(qiáng)大盡自己的綿薄之力。

他向小朱雀?jìng)兇舐曊f(shuō)：“小朱雀，宇宙中還有很多奧秘需要我們?nèi)ヌ剿?，大家要努力學(xué)習(xí)，以后一定能找到更好的推進(jìn)劑，我看好你們奧！”

小朱雀都笑了，笑聲中有歡樂(lè)，有憧憬，有希望……