不学点火箭知识怎么能和人谈论神舟十五呢？

该剧组的三维宇航员，从左到右分别是费俊龙、邓庆明、张璐|图片来自人民网

这次发射仍然使用我们中国的“神剑”长征二号F火箭。长2F多次执行我国载人航天任务并取得圆满成功。相信这一次不会辜负大家的期待。此次发射定于酒泉卫星发射中心进行。酒泉大家应该都很熟悉。如果没有的话，我会找机会帮助你理解。

长征二号F使用四氧化二氮和无偏二甲肼作为推进剂。它是典型的液体火箭。那么液体推进剂火箭发动机到底是什么？说到液体火箭发动机，你可能会认为这已经是落后的技术了，固体火箭发动机才是未来。但事实上，液体火箭发动机仍然是当今世界各国的主力。

1 火箭队历史

说起火箭的起源，还得从三国时期说起。后汉三国时期，我们就有了火箭这个词……当然，这里的火箭和我们现在所说的火箭不是一回事，甚至不是远亲。

火药发明后，人们想到利用反作用力到达天空。中国明代人万户最先实践此法。他把鞭炮绑在椅子上，希望利用它的推力和风筝的升力。实现飞行。当然最后失败了，但是这种精神值得我们尊重。

万户雕塑|图片来自百度百科

现代火箭始于1903年。Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky于1903年发表论文《利用反作用力设施探索宇宙空间》，从理论上论证了使用火箭推进的航天器模型。在这篇文章中，他提出可以使用液氢/液氧作为推进剂来研制火箭。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了著名的齐次方程：

v为航天器速度增量，为喷射速度，m和m分别为航天器加速前的质量和加速后的质量。

其中，喷流速度和前后质量比正向反映航天器发动机的两个重要指标——比冲和干质量比。

齐奥尔科夫斯基|图片来自维基

关于避虫，我们在嫦娥上天问答中已经回答过。如果你有兴趣，可以回去读一下。这里简单介绍一下干质量比。干质量比也是质量比。其实就是Qi方程中的质量之比。在航天领域，我们一般关注火箭发射前和完全熄火后的质量比。这个质量比，它与火箭本身的结构以及所承载的载荷的质量有关。从这个方程不难看出，干质量比越大，速度增量越大。但事实上，运载火箭要实现大的干质量比是很困难的。目前，还没有单一火箭干质量比能够将航天器送入太空，齐奥尔科夫斯基提出了多级火箭的想法，即利用多枚火箭依次点火，将有效载荷送入太空。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。

事实上，第一枚火箭也是液体火箭，甚至在Qi 方程出现之前就已经制造出来了。

早在1926年，R.H.戈达德就从马萨诸塞州奥本成功发射了历史上第一枚液体燃料火箭。该火箭使用汽油/液氧作为推进剂。这枚火箭只飞了12.5米高和57米高。说实话，它不如鞭炮，但它确实是人类的第一枚火箭。戈达德也被称为美国火箭之父。

戈达德和他的火箭|图片来自参考

真正实用的液体火箭应该是德国的V2火箭。 1944年，德国研制成功V2火箭。这种火箭使用液氧/酒精作为推进剂，射程为300公里。它实际上开创了现代液体火箭的发展。然而，纳粹德国开发这种火箭是为了战争。 1944年，纳粹德国使用这枚火箭袭击了伦敦。

之后，美国和苏联在这种火箭的基础上进行了液体火箭的研发。

2 火箭发动机结构

液体火箭发动机主要由三个结构组成：推力室、推进剂供应系统和发动机控制系统。可以说是三大项。

推力室是火箭发动机完成能量转换并产生推力的装置。它由喷油器、燃烧室和喷嘴组成。推进剂通过喷射器喷射到燃烧室中。经过雾化、蒸发、混合后，发生剧烈的氧化还原反应，产生高速气流从喷嘴喷出。空气流速为2500-5000m/s，燃烧室内压力高达20MPa左右，温度约为3000-4000。因此，燃烧室的冷却也是火箭发动机的一个重要问题。

推进剂供应系统是在规定的压力下，以规定的混合比和流量将储罐内的推进剂输送到推力室的系统。按输送方式可分为挤压式（气压式）和泵送式两种。前者一般用于小推力发动机，后者多用于大推力发动机。

至于发动机控制系统，就不用提了。其作用是调节和控制发动机的工作程序和工作参数。

土星五号第一级示意图|图片来自百度百科

除了这三大部件之外，火箭发动机还可能还有预冷系统、推力矢量控制系统等其他部件。

火箭发动机的工作过程比较清晰。在推进剂供应系统的控制下，推进剂以规定的混合比和流量送入推力室。推力室通过喷油器将其喷入燃烧室。燃烧时，充分燃烧后产生高温气体，从喷嘴高速喷出，获得巨大的推力。

至于具体的工作方法，如果有机会，我们可以再谈。

3推进剂

在液体火箭发动机中，最重要的是推进剂。在液体火箭发动机的研制过程中，我们对推进剂的研究一直在路上。

液体火箭发动机的推进器分为单组件和双组件。双组分组件很容易理解。氧化剂和还原剂发生剧烈的氧化还原反应，产生气体，将火箭推向太空。大家可能对单组元推进剂比较陌生。

联氨又名联氨|图片来自参考资料

肼是一种可以储存在地面上的单位推进剂。凝固点高，常温下呈液态，便于储存。但其热稳定性较差。在催化剂催化下分解为氨和氮并放热。不过，虽然它是单组分推进剂，但实际上不仅仅是肼。通常与MMH（甲基肼或一甲基肼，后面会提到）混合，形成混合肼、硝酸肼和水，形成单组份推进剂。 Agent，一般用于航天器姿态控制、轨道调整、末端助推器控制等场景。一些10N左右的微型发动机通常选择使用联氨。肼具有优越的脉冲比冲、响应灵敏、可靠性高，最重要的是易于储存且价格低廉。当然，另一个显着的缺点是它具有剧毒。

双组分推进剂可分为两类：低温推进剂和可储存推进剂。常用的低温推进剂有液氧/液氢、液氧/RP-1；可储存推进剂有N2O4/混合肼、N2O4/UDMH、N2O4/MMH、硝酸/UDMH、硝酸/肼等。

第一种是可储存推进剂，它在室温下是液体，因此更容易储存。可储存推进剂的主要成分仍然是肼。

我们先来说说UDMH。乍一看你可能会觉得陌生，但如果提到它的中文名字，你应该会更加熟悉。这是二甲肼。这是肼系燃料中热稳定性最好的燃料。可单独使用，也可与肼、煤油混合使用。但事实上，二甲肼的比冲是平均的。即使是RD-253，真空比冲也仅为310s。

肼通常与其他燃料结合形成燃料混合物。

由50一二甲肼和50肼组成的燃料为混合肼50。混合肼50更稳定，密度和沸点更高，更安全。美国大力士火箭L87和俄罗斯SL-13都使用联氨50。

又如：胺肼。氨基肼是由肼和二亚乙基三胺混合形成的燃料。氨基肼具有良好的冷却性能和比肼更高的比冲。

接下来仍然是肼燃料——MMH，它是甲基肼或一甲基肼。作为肼家族的一员，MMH也是一种可以全天储存的液体推进剂。它具有较低的凝固点，可单独使用或与肼或偏二甲肼或与肼和硝酸肼混合使用。 MMH的能量介于肼和未形成的二甲基肼之间。液体温度范围较宽，高温高空性能优于肼50。但MMH生产复杂，价格高，毒性是三种肼中最高的，甚至推力还低于联氨。但MMH有很好的多次启动能力。入轨精度高，可作为上级火箭姿态控制、速度控制和反应控制发动机的推进剂。

在双组分推进剂中，通常使用肼燃料作为还原剂，与之搭配的氧化剂通常是N2O4。 N2O有一个显着的特点。其颜色与二氧化氮相同，呈红棕色。因此，排放时升起的红烟通常是用作氧化剂的N2O4。本次发射使用的长征二号F火箭采用无偏二甲肼和四氧化二氮作为推进剂。大家可以关注一下点火的盛况。

红尾火焰|图片来自参考资料

除了N2O4之外，肼还使用硝基氧化剂。这种组合的优点是点火延迟期较短。滞后更短的点火更可靠并且启动更快。以硝酸为氧化剂，与混合肼配对时延燃期为25ms，与UDMH配对时为4ms，与无水肼配对时仅为2ms。

接下来介绍一下低温推进剂。

所谓低温推进剂是指在常温下为气态、仅在低温下为液态的推进剂。这种推进剂不易储存。当然，它还有其他一些优点，比如价格便宜或者比冲高。

第一个是RP-1。不要让这个名字欺骗了你。这东西其实就是煤油，一种高度精炼的航空煤油。氧化剂通常是液氧。

正如一开始提到的，早期火箭使用的燃料是酒精，但后来大家发现化石燃料更好。碳氢燃料具有更高的燃烧效率和更高的密度。所以大家都把注意力集中在煤油上。煤油非常便宜，在常温下更稳定，更安全，无毒，环保。但煤油会带来另一个问题。煤油在高温下会分解和聚合。较重的部件会产生沉积物，沉积物会沉积在发动机上并堵塞冷却通道。 RP-1 就这样诞生了。

RP-1严格控制硫含量。硫在高温下不仅会腐蚀金属，还会加剧碳氢燃料的聚合。同时，不饱和烯烃和芳香烃的含量降低。这些化合物本身容易聚合，用异构体取代直链烷烃，以增强抗热分解的能力。

现在还有很多火箭使用煤油。美国登陆月球所使用的土星1号发动机F1是液氧/煤油发动机。我国的YF100也使用煤油。目前的Space X也采用了这种方案。

这是F1。如果F1进入F1赛道会发生什么？ |图片来自参考资料

然后是液氢/液氧。

这是非常简单粗暴的。这是当今比冲最高（实用）的推进剂组合，而且环保无污染。

液氧/液氢都需要在低温下保持液态，因此采用这种组合的长征五号被亲切地称为“冰箭”。液氢的密度很小，因此体积很大。为此，我们就有了密度比冲的概念，即单位体积推进剂的比冲。液氧/液氢的密度比冲不如煤油/液氧。另外，液氧、液氢储存困难，容易挥发。

某些推进剂组合的真空理论比冲

最后简单介绍一下其他一些推进剂组合

第一种是液态氟。大家应该知道，就氧化性而言，氟才是真正的老大哥，所以理论上来说，液氟和液氢是最强的。但由于氟和氟化物具有剧毒，这种推进剂尚未进入实用阶段。

其次是甲烷，甲烷也是一种化石燃料，但其焦化极限温度远高于煤油。与液氧不同混合比例均不产生积碳，对材料的腐蚀明显减少。但它的安全性不如煤油，而且比煤油贵。

说到这里，相信大家对于液体火箭发动机已经有了一定的了解。不知道您对固体火箭发动机感兴趣吗？有时间我们可以再聊聊固态火箭发动机。

我挖的洞连看着都让我害怕。

参考：

[1] 查理.液体火箭发动机技术[J].国防科学技术，2004(08):25-30。

[2] 付全军.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] 张媛媛.国外液体推进剂的发展及现状[J].国外导弹与航天，1980(09):7-15。

[4]孙宏明.液氧/甲烷发动机综述[J].火箭推进，2006(02):23-31。

[5]神舟十五号机组人员名单公布：费俊龙、邓庆明、张鹭

[6]神舟十五号船箭总成已转移至发射区，计划于近期发射。