论文部分内容阅读
摘要：本文首先对航天器化学能推进剂的组成分类作了常识性介绍；主要对“嫦娥一号”探月卫星、“长征三号甲”运载火箭所使用的推进剂的主要理化性质、优缺点进行了详细分析；并对航天器化学能推进剂的发展方向进行了展望。
关键词：嫦娥一号；长征三号甲；航天器；化学能；推进剂
文章编号：1005－6629(2008)04－0051－02中图分类号：O623.75 2 文献标识码：E
2007年10月24日，我国第一颗探月卫星“嫦娥一号”发射升空，历经约12天的太空之旅，数次调姿、变轨、加速、制动后，于11月5日成功进入离地38万公里的绕月轨道进行探月工作。可以说托起“嫦娥”奔月“翅膀”的就是航天器所使用的化学能推进剂。发射“嫦娥一号”探月卫星使用的“长三甲”火箭一、二级发动机推进剂为偏二甲肼/四氧化二氮，三级发动机推进剂为液氢/液氧；“嫦娥一号”卫星变轨与姿态控制发动机推进剂为甲基肼/绿色四氧化二氮。不同类型的发动机采用了不同的推进剂，这其中有什么奥妙呢？
1 航天器推进剂简介
能使推进装置产生推动力的物质就是推进剂，按照其能量类型可分为化学能推进剂、核能推进剂、电能推进剂和太阳能推进剂，其中化学能推进剂已经比较成熟，而其他几种推进剂或是技术尚未成熟、或是使用范围有限，所以目前在航天领域采用的主要是化学能推进剂。
1.1依进入发动机的推进剂组元数目，分为单组元推进剂、双组元推进剂
单组元推进剂的主要成分只有一种，它在发动机燃烧室内进行催化分解反应，把化学能转变为热能，产生高温高压燃气，并通过发动机喷管膨胀加速，把热能转变成为动能，产生推力。常见的单组元推进剂有过氧化氢、肼。
双组元推进剂分为燃烧剂和氧化剂，必须分别储存在不同的氧化剂箱和燃料箱内，工作时由输送系统将它们送入发动机的燃烧室，在液体火箭发动机燃烧室内进行燃烧氧化反应，把化学能转变为热能，产生高温高压燃气，并通过发动机喷管膨胀加速， 把热能转变成为动能， 产生推力。常见的双组元推进剂有偏二甲肼/四氧化二氮、混肼-50/四氧化二氮、煤油/液氧、液氢/液氧、聚硫橡胶/高氯酸铵等。
此外，近年来为改善推进剂的贮存与燃烧性能，还发展了多组元推进剂，如：端羧基聚丁二烯/高氯酸铵/铝粉。
1.2 依推进剂工作状态，分为液体推进剂与固体推进剂
液体推进剂以液体状态进入发动机燃烧，为发动机提供能源和工作物质。它可以是单质、化合物，也可以是混合物。它的性能优劣直接影响液体火箭发动机的性能。选择液体推进剂除要求能量高之外，还要求冰点低、沸点高、密度大、点火与燃烧性能好和毒性小。肼、过氧化氢、偏二甲肼/四氧化二氮、二甲基肼/四氧化二氮、液氢/液氧和煤油/液氧等均属于液体推进剂。由于液体推进剂具有能量高、便于调节控制和使用可靠的特点，总体性能优于固体推进剂，所以航天器发动机大多采用液体推进剂。
固体推进剂由油灰或橡胶状的可燃材料构成，是燃料和氧化剂的混合体。它就贮存在发动机燃烧室内，无需贮箱和输送系统。聚硫橡胶/高氯酸铵、端羧基聚丁二烯/高氯酸铵/铝粉等均属于固体推进剂。与液体推进剂相比，固体推进剂最大的优势在于它贮存安全方便，而且发动机结构简单、重量轻，所以一般应用在国防领域。
此外，近年来为减小推进剂毒性对环境与人的影响，人们还另辟蹊径开发了低毒固液混合推进剂，如“太空船一号”载人飞船所使用的固液混合火箭发动机采用无毒的一氧化二氮作为氧化剂、端羟基聚丁二烯作为燃烧剂，从而开创了载人航天采用无毒安全推进剂的历史。
2 解读“长三甲”与“嫦娥一号”推进剂
2.1“长三甲”火箭一、二级发动机推进剂为偏二甲肼/四氧化二氮。其中偏二甲肼为燃烧剂、四氧化二氮为氧化剂，它们在火箭发动机燃烧室中接触能发生剧烈的反应，产生大量高温燃气（C2H8N2 2N2O4 2CO2↑ 4H2O↑ 3N2↑）。
偏二甲肼，又称1,1-二甲基联氨，结构简式为(CH3)2N-NH2,英文缩写为UDMH(Unsymmetric Dimethyl Hydrazine)， 是在空气中发烟的无色或淡黄色透明液体, 具有强烈刺激性气味; 熔点-57.2℃、 沸点63℃；可与水混溶，与强氧化剂接触能自燃；属III级毒性物质，可对人体中枢神经系统、肝脏、肾脏等造成不同程度的伤害。
四氧化二氮，分子式为N2O4，无色或黄褐色气体或液体；熔点-11.2℃、沸点21.2℃；在常温下部分分解为红棕色NO2气体，我们在电视直播画面上看到火箭在发射前的几秒钟会放出红棕色“烟”就是这个原因。四氧化二氮属强氧化剂，与胺、肼等接触能自燃，常与肼类燃料组成双组元液体推进剂，用于发射通讯卫星、战略导弹等的运载火箭中。四氧化二氮也有毒，能通过呼吸道吸入而造成呼吸系统和神经系统病变。此外，在长期贮存时,四氧化二氮会严重腐蚀贮器和管路,使其污染变质,影响使用性能。
偏二甲肼/四氧化二氮作推进剂的最大优点是无需高温点火，燃烧剂与氧化剂接触即自动点火，不会存在中途熄火的问题，而且在常温下就能方便地贮存和运输；缺点是有剧毒、易通过皮肤吸收而使人致癌。因此，偏二甲肼/四氧化二氮推进剂在生产、运输、贮存、加注和火箭发射过程等各个环节中均会因泄漏或不完全燃烧而造成污染。
2.2“长三甲”火箭三级发动机推进剂为液氢/液氧。其中液氢为燃烧剂、液氧为氧化剂（2H2 O2=2H2O）。
与传统的肼类推进剂相比，液氢/液氧推进剂的突出优点是无毒无污染、高比冲（单位秒流量的推进剂产生的推力比使用其他推进剂更高）。缺点是使用成本高、技术要求高，贮存、加注程序复杂：液氢和液氧需在低温下保存，临近发射才能加注进入箭体贮箱；液氢温度低于-253℃，液氧温度低于-183℃，因此尽管燃料贮箱进行了水平极高的保温设计，火箭周围的空气还是会迅速地被冷凝成水汽，为了防止结冰，要不停地用氮气吹除；同时，在常温下不断气化的液氢液氧，会使贮箱的压力越来越高，而一粒沙子从一米高处落下来的能量就能引起爆炸，因此需要一边加注一边泄压，不停地把气化后的燃料导入燃烧池烧掉，直至发射前的最后几秒。
2.3“嫦娥一号” 卫星变轨与姿态控制发动机推进剂为甲基肼/绿色四氧化二氮。卫星总质量为2315公斤，推进剂就有1165公斤。其中甲基肼为燃烧剂、绿色四氧化二氮为氧化剂（4CH6N2 5N2O4 =4CO2↑ 12H2O↑ 9N2↑）。
甲基肼，结构简式为CH3-NH-NH2，是一种具有类似氨臭味的无色透明液体；熔点为-52.4℃，沸点为87.5℃；甲基肼是强还原剂，与强氧化剂接触立即自燃；有剧毒和较强腐蚀性。吸入后会使呼吸系统、肝脏、血液等组织器官造成病变。其优点是对热和杂质的稳定性优于肼，对冲击、压缩、振动和磨擦等均不敏感。
绿色四氧化二氮是指含有少量一氧化氮的四氧化二氮，因其为绿色液体而得名。在长期贮存时，四氧化二氮会严重腐蚀贮器和管路，使其污染变质，影响使用性能。在纯的四氧化二氮中加入1％～3％一氧化氮，可抑制其对材质的腐蚀作用。另外，一氧化氮的加入可使熔点降低，改善其使用性能。绿色四氧化二氮一般用于姿态控制发动机及小型推进系统。
3 展望航天器推进剂的未来
我国在偏二甲肼/四氧化二氮液体推进剂大型运载火箭的发展上拥有成熟的技术，掌握了偏二甲肼/四氧化二氮推进剂中等推力液体发动机技术以及低温上面级发动机技术。而毒性高、污染大的偏二甲肼/四氧化二氮液体推进剂作为上世纪70～80年代的技术将逐渐被淘汰，无毒、无污染、高可靠性、低成本是推进剂技术的一个重要发展方向。
国外在上世纪90年代开始大规模开展无毒、无污染、大推力煤油/液氧或液氢/液氧发动机的研制，至今已有欧洲的阿里安5、美国的宇宙神3、日本的H-2等火箭采用煤油/液氧或液氢/液氧大推力发动机并投入使用。此外，使用烃及其衍生物作为燃烧剂，液氧、一氧化二氮或过氧化氢作为氧化剂的新型无毒无污染推进剂也不断出现。目前，我国已完成了120吨级煤油/液氧发动机和50吨级液氢/液氧发动机的地面试车，此类新型大推力运载火箭投入使用后，必将进一步缩小我国与发达国家在航天器推进技术领域的差距。
（本文数据资料主要来自于权威机构中国空间技术研究院网站的《科学普及》栏目：http://www.cast.ac.cn/CastCn/Class.asp?ClassID=6 ）
关键词：嫦娥一号；长征三号甲；航天器；化学能；推进剂
文章编号：1005－6629(2008)04－0051－02中图分类号：O623.75 2 文献标识码：E
2007年10月24日，我国第一颗探月卫星“嫦娥一号”发射升空，历经约12天的太空之旅，数次调姿、变轨、加速、制动后，于11月5日成功进入离地38万公里的绕月轨道进行探月工作。可以说托起“嫦娥”奔月“翅膀”的就是航天器所使用的化学能推进剂。发射“嫦娥一号”探月卫星使用的“长三甲”火箭一、二级发动机推进剂为偏二甲肼/四氧化二氮，三级发动机推进剂为液氢/液氧；“嫦娥一号”卫星变轨与姿态控制发动机推进剂为甲基肼/绿色四氧化二氮。不同类型的发动机采用了不同的推进剂，这其中有什么奥妙呢？
1 航天器推进剂简介
能使推进装置产生推动力的物质就是推进剂，按照其能量类型可分为化学能推进剂、核能推进剂、电能推进剂和太阳能推进剂，其中化学能推进剂已经比较成熟，而其他几种推进剂或是技术尚未成熟、或是使用范围有限，所以目前在航天领域采用的主要是化学能推进剂。
1.1依进入发动机的推进剂组元数目，分为单组元推进剂、双组元推进剂
单组元推进剂的主要成分只有一种，它在发动机燃烧室内进行催化分解反应，把化学能转变为热能，产生高温高压燃气，并通过发动机喷管膨胀加速，把热能转变成为动能，产生推力。常见的单组元推进剂有过氧化氢、肼。
双组元推进剂分为燃烧剂和氧化剂，必须分别储存在不同的氧化剂箱和燃料箱内，工作时由输送系统将它们送入发动机的燃烧室，在液体火箭发动机燃烧室内进行燃烧氧化反应，把化学能转变为热能，产生高温高压燃气，并通过发动机喷管膨胀加速， 把热能转变成为动能， 产生推力。常见的双组元推进剂有偏二甲肼/四氧化二氮、混肼-50/四氧化二氮、煤油/液氧、液氢/液氧、聚硫橡胶/高氯酸铵等。
此外，近年来为改善推进剂的贮存与燃烧性能，还发展了多组元推进剂，如：端羧基聚丁二烯/高氯酸铵/铝粉。
1.2 依推进剂工作状态，分为液体推进剂与固体推进剂
液体推进剂以液体状态进入发动机燃烧，为发动机提供能源和工作物质。它可以是单质、化合物，也可以是混合物。它的性能优劣直接影响液体火箭发动机的性能。选择液体推进剂除要求能量高之外，还要求冰点低、沸点高、密度大、点火与燃烧性能好和毒性小。肼、过氧化氢、偏二甲肼/四氧化二氮、二甲基肼/四氧化二氮、液氢/液氧和煤油/液氧等均属于液体推进剂。由于液体推进剂具有能量高、便于调节控制和使用可靠的特点，总体性能优于固体推进剂，所以航天器发动机大多采用液体推进剂。
固体推进剂由油灰或橡胶状的可燃材料构成，是燃料和氧化剂的混合体。它就贮存在发动机燃烧室内，无需贮箱和输送系统。聚硫橡胶/高氯酸铵、端羧基聚丁二烯/高氯酸铵/铝粉等均属于固体推进剂。与液体推进剂相比，固体推进剂最大的优势在于它贮存安全方便，而且发动机结构简单、重量轻，所以一般应用在国防领域。
此外，近年来为减小推进剂毒性对环境与人的影响，人们还另辟蹊径开发了低毒固液混合推进剂，如“太空船一号”载人飞船所使用的固液混合火箭发动机采用无毒的一氧化二氮作为氧化剂、端羟基聚丁二烯作为燃烧剂，从而开创了载人航天采用无毒安全推进剂的历史。
2 解读“长三甲”与“嫦娥一号”推进剂
2.1“长三甲”火箭一、二级发动机推进剂为偏二甲肼/四氧化二氮。其中偏二甲肼为燃烧剂、四氧化二氮为氧化剂，它们在火箭发动机燃烧室中接触能发生剧烈的反应，产生大量高温燃气（C2H8N2 2N2O4 2CO2↑ 4H2O↑ 3N2↑）。
偏二甲肼，又称1,1-二甲基联氨，结构简式为(CH3)2N-NH2,英文缩写为UDMH(Unsymmetric Dimethyl Hydrazine)， 是在空气中发烟的无色或淡黄色透明液体, 具有强烈刺激性气味; 熔点-57.2℃、 沸点63℃；可与水混溶，与强氧化剂接触能自燃；属III级毒性物质，可对人体中枢神经系统、肝脏、肾脏等造成不同程度的伤害。
四氧化二氮，分子式为N2O4，无色或黄褐色气体或液体；熔点-11.2℃、沸点21.2℃；在常温下部分分解为红棕色NO2气体，我们在电视直播画面上看到火箭在发射前的几秒钟会放出红棕色“烟”就是这个原因。四氧化二氮属强氧化剂，与胺、肼等接触能自燃，常与肼类燃料组成双组元液体推进剂，用于发射通讯卫星、战略导弹等的运载火箭中。四氧化二氮也有毒，能通过呼吸道吸入而造成呼吸系统和神经系统病变。此外，在长期贮存时,四氧化二氮会严重腐蚀贮器和管路,使其污染变质,影响使用性能。
偏二甲肼/四氧化二氮作推进剂的最大优点是无需高温点火，燃烧剂与氧化剂接触即自动点火，不会存在中途熄火的问题，而且在常温下就能方便地贮存和运输；缺点是有剧毒、易通过皮肤吸收而使人致癌。因此，偏二甲肼/四氧化二氮推进剂在生产、运输、贮存、加注和火箭发射过程等各个环节中均会因泄漏或不完全燃烧而造成污染。
2.2“长三甲”火箭三级发动机推进剂为液氢/液氧。其中液氢为燃烧剂、液氧为氧化剂（2H2 O2=2H2O）。
与传统的肼类推进剂相比，液氢/液氧推进剂的突出优点是无毒无污染、高比冲（单位秒流量的推进剂产生的推力比使用其他推进剂更高）。缺点是使用成本高、技术要求高，贮存、加注程序复杂：液氢和液氧需在低温下保存，临近发射才能加注进入箭体贮箱；液氢温度低于-253℃，液氧温度低于-183℃，因此尽管燃料贮箱进行了水平极高的保温设计，火箭周围的空气还是会迅速地被冷凝成水汽，为了防止结冰，要不停地用氮气吹除；同时，在常温下不断气化的液氢液氧，会使贮箱的压力越来越高，而一粒沙子从一米高处落下来的能量就能引起爆炸，因此需要一边加注一边泄压，不停地把气化后的燃料导入燃烧池烧掉，直至发射前的最后几秒。
2.3“嫦娥一号” 卫星变轨与姿态控制发动机推进剂为甲基肼/绿色四氧化二氮。卫星总质量为2315公斤，推进剂就有1165公斤。其中甲基肼为燃烧剂、绿色四氧化二氮为氧化剂（4CH6N2 5N2O4 =4CO2↑ 12H2O↑ 9N2↑）。
甲基肼，结构简式为CH3-NH-NH2，是一种具有类似氨臭味的无色透明液体；熔点为-52.4℃，沸点为87.5℃；甲基肼是强还原剂，与强氧化剂接触立即自燃；有剧毒和较强腐蚀性。吸入后会使呼吸系统、肝脏、血液等组织器官造成病变。其优点是对热和杂质的稳定性优于肼，对冲击、压缩、振动和磨擦等均不敏感。
绿色四氧化二氮是指含有少量一氧化氮的四氧化二氮，因其为绿色液体而得名。在长期贮存时，四氧化二氮会严重腐蚀贮器和管路，使其污染变质，影响使用性能。在纯的四氧化二氮中加入1％～3％一氧化氮，可抑制其对材质的腐蚀作用。另外，一氧化氮的加入可使熔点降低，改善其使用性能。绿色四氧化二氮一般用于姿态控制发动机及小型推进系统。
3 展望航天器推进剂的未来
我国在偏二甲肼/四氧化二氮液体推进剂大型运载火箭的发展上拥有成熟的技术，掌握了偏二甲肼/四氧化二氮推进剂中等推力液体发动机技术以及低温上面级发动机技术。而毒性高、污染大的偏二甲肼/四氧化二氮液体推进剂作为上世纪70～80年代的技术将逐渐被淘汰，无毒、无污染、高可靠性、低成本是推进剂技术的一个重要发展方向。
国外在上世纪90年代开始大规模开展无毒、无污染、大推力煤油/液氧或液氢/液氧发动机的研制，至今已有欧洲的阿里安5、美国的宇宙神3、日本的H-2等火箭采用煤油/液氧或液氢/液氧大推力发动机并投入使用。此外，使用烃及其衍生物作为燃烧剂，液氧、一氧化二氮或过氧化氢作为氧化剂的新型无毒无污染推进剂也不断出现。目前，我国已完成了120吨级煤油/液氧发动机和50吨级液氢/液氧发动机的地面试车，此类新型大推力运载火箭投入使用后，必将进一步缩小我国与发达国家在航天器推进技术领域的差距。
（本文数据资料主要来自于权威机构中国空间技术研究院网站的《科学普及》栏目：http://www.cast.ac.cn/CastCn/Class.asp?ClassID=6 ）