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甲烷和水的沸點哪個高,藍箭航天:臺80噸液氧甲烷發動機“天鵲”試車成功

2023年06月21日 11:52:01      來源:安徽思成儀器技術有限公司 >> 進入該公司展臺      閱讀量:83

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很顯然,要把越重的載荷送往越遠的軌道,對火箭運力的要求就越高。當年把阿波羅載人登月任務送上月球表面的巨無霸,高達110米、直徑10米、自重3000噸、近地軌道LEO運載能力140噸的土星五號甲烷和水的沸點哪個高,就有著開了掛的至今任然無法超越的發動機。

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(左)土星五號的F1發動機與火箭之父馮·布勞恩合照。來源:NASA;(右)空間中心對游人展出的單個F1發動機。來源:維基/Jud McCranie

而“朱雀二號”將要采用的,就是我們開頭提到的“天鵲”(TQ-12)發動機,這是藍箭航天自主研發的新一代運載火箭動力系統,也是臺商業航天企業研制的大推力液氧-甲烷發動機。

液氧-甲烷這種推進劑組合,其實以前用的并不多…不過呢,這又確實近年來各大航天機構的研發熱點。什么鬼…火箭用啥推進劑到底有啥講究?不是能燒就完事兒了么?

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最直觀的,我們希望火箭的推進效率越高越好,也就是說,希望用質量盡量小的燃料,產生出盡量大的推力。這就引出了一個的指標:比沖(Specific impulse, Isp ),意思是單位質量的推進劑產生的沖量大小。這也是火箭推進劑最最重要的指標之一。

通常來說我們可以簡單把比沖理解為1千克的某種燃料產生1千克力(在地球上就是9.8牛頓)的推力可以持續的時間,單位是秒(s)。

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不同混合比下的比沖會略有差異。推進劑參數整理自:[4]和[5]

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顯然,液氧-液氫推進劑的比沖有壓倒性的優勢,液氧-甲烷次之,然而早期乃至目前的火箭發射用的最多的卻是-偏二甲肼和液氧-煤油。

也就是說,除了比沖之外,還有很多需要考慮的因素。

比如容易點燃:-偏二甲肼接觸即燃,我國的長征二號到四號系列火箭都是用的-偏二甲肼作為主發動機推進劑。(不過這東西劇毒甲烷和水的沸點哪個高,以后會慢慢退出歷史舞臺的)

比如存儲便利:液氫的沸點低達零下253攝氏度,這本身就已經對存儲有很高要求了…更要命的是…液氧的凝固點是零下223攝氏度——這意味著這倆東西還不能連著放,而是要分開做好隔熱,不然液氫直接就把液氧給凍了。相比之下液氧-煤油或者-偏二甲肼的存儲就方便得多。

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比如體積小:液氧-液氫雖然比沖,但液氫的密度太小了,不到煤油的十分之一…這意味著…需要一個巨大的罐子來裝液氫燃料…典型的例子就是…航天飛機了…

高達近60米的航天飛機,發射的時候最龐大的一部分(橙色的罐子)就是推進劑…橙色罐子上面一小部分是液氧,下面一大部分都是液氫——這大大限制了液氫-液氧火箭的尺寸。

所以考慮到密度比沖的話,其實液氧-液氫的密度比沖反而是的…而劇毒的-偏二甲肼反而變得很優秀了…

航天飛機:我要…背著燃料往上飛▼

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2008年5月31日,發現號航天飛機發射。側面兩個是固體推進劑助推器。來源:NASA[6]

當然,實際考慮的還遠遠不止這些。比如液氫和液氧會隨著溫度升高不斷蒸發,為了保證儲罐的安全需要不斷泄壓,導致它們很難成為火星甚至更遠的長期深空探測的理想推進劑[7]。筆者目前能力有限,這里就不展開了。

當然,這里只說了液體推進劑,事實上可考慮的推進劑種類還遠遠不止這些。比如固體推進劑,雖然比沖低,但存儲便利而且穩定、所需的準備時間也短,我國的長征十一號火箭、藍箭的朱雀一號火箭,都是用的固體推進劑。又比如離子推進劑,比沖指標優秀,當年僅攜帶了425公斤離子推進劑的黎明號總計獲得超過10公里/秒的速度增量,這在深空探測器中是極其優秀的(詳情:NASA黎明號即將結束任務:再見,小行星帶的窮游博主!);JAXA的隼鳥號和隼鳥2號也是用的離子推進劑(詳情:不死鳥傳奇——“隼鳥”家族的小行星之旅(上)),但離子推進劑在技術上目前也還有很多不足。限于篇幅,這里也不展開了。

總之,考慮了上面這些因素之后…液氧-甲烷推進劑的優勢還并不突出。然而時也運也,液氧-甲烷火箭卻在如今的太空探索新時代展現出了自己的優勢。

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這首先是因為液氧-甲烷本身各方面指標也還不錯:在上面提到的四種常見液態推進劑里,液氧-甲烷的比沖僅次于液氧-液氫,密度比沖也可以排上第二,沸點零下162攝氏度和液氧(零下183攝氏度)接近,儲存難度也相對較低——總之不是名,但也是好學生。

在此基礎上,液氧-甲烷推進劑還有一點的優勢:

其一是低成本可重復使用。煤油容易結焦和產生積碳,液氫會讓一些金屬材料變得像陶瓷一樣脆硬(也就是“氫脆”),這些都會減少火箭零件的壽命,而液態甲烷則幾乎沒有這些問題,因此液氧-甲烷更適合做可回收火箭的推進劑。

其二是資源豐富易制備。對地球上的火箭來說,獲取高純度煤油并不算困難,但對外太空來說,甲烷反而可能是利的原位資源。

例如,火星的大氣中就有一定量的甲烷,目前人們也已經發現地表似乎有時還會有來源尚不明確的區域性的甲烷爆發(詳情:《科學》雜志:好奇號發現火星遠古有機物,我們離發現生命還有多遠?)。

SpaceX伊隆·馬斯克的火星大計中也有利用二氧化碳+氫氣,通過Sabatier反應生產甲烷與水的計劃,用于滿足航天器的燃料需求。

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