不学点火箭的知识怎么和人聊神舟十五号？

　　2022年11月29日晚上23：08，神舟十五号载人飞船即将搭载长征二号F遥十五火箭于酒泉卫星发射中心发射，本次发射将再送3名宇航员进入天宫空间站，他们分别是费俊龙、邓清明和张陆，届时，天宫空间站将史无前例地迎来6名航天员同时在岗！这也是我们空间站建设第一次在轨轮换，6名航天员将共同在空间站生活一段时间。值得一提的是，邓清明是我国首批航天员，与杨利伟同一批，坚守到今天，终得圆飞天梦。
　　本次乘组三维航天员，从左到右依次是费俊龙、邓清明、张陆图源自人民网本次发射依然采用我们的中国神箭长征二号F火箭，长二F多次执行我国载人航天任务，都取得了圆满成功，相信这一次也不会辜负大家的期望。本次发射定在酒泉卫星发射中心，关于酒泉，大家应该都比较了解了，不了解的话俺找机会带大家了解了解。
　　长征二号F采用四氧化二氮与偏二甲肼推进剂，是典型的液体火箭，那液体推进剂火箭发动机究竟是什么呢？提到液体火箭发动机，大家可能觉得，这都已经是落后技术了，固体火箭发动机才是未来。但实际上液体火箭发动机在当今世界各国中，依然是当之无愧的主力。
　　火箭的历史
　　说起火箭的起源，那就要从三国时期说起了，话说后汉三国年间，我们就有了火箭这个词语了
　　。当然，这里的火箭跟现在我们说的火箭不是一个东西，连远房亲戚都谈不上。
　　在火药被发明之后，人们就想过利用反作用力上天，万户，中国明朝人，就是最早将这种方法实践的人，他将炮仗绑在椅子上，希望能借助其推力与风筝的升力实现飞行。最后当然是失败了，但这种精神却值得我们尊敬。
　　万户的雕塑图源自百度百科
　　而现代火箭要从1903年说起了。康斯坦丁埃杜阿尔多维奇齐奥尔科夫斯基在1903年发表了《利用反作用力设施探索宇宙空间》的论文，从理论上论证了利用火箭推进的航天器模型。在这篇文章中，他提出可以用液氢液氧作为推进剂研发火箭。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著名的齐式方程：
　　v是航天器速度增量，是喷气速度，m和m分别是航天器加速前的质量与加速后的质量。
　　其中喷气速度和前后的质量比正反应了航天器发动机两个重要指标，比冲和干质比。
　　齐奥尔科夫斯基图源自wiki
　　有关比冲，这里简单介绍一下干质比，干质比也就是质量比，其实就是齐式方程中的那个质量的比值，在航天飞行中，我们一般关注火箭发射前与彻底熄火后的质量比，这个质量比，与火箭本身结构，携带的载荷质量都有关系。从这个方程不难看出，干质比越大，速度增量越大，但实际上，运载火箭干质比很难做到很大，就目前而言，没有任何一种单一火箭干质比可以达到将航天器送入太空，因此齐奥尔科夫斯基提出了多级火箭的设想，其通过多个火箭依次点火将载荷送入太空。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。
　　而事实上的第一款火箭也正是液体火箭，其建造时间甚至在齐式方程之前。
　　早在1926年，R。H。戈达德在马萨诸塞州的奥本就成功发射了历史上首枚液体燃料火箭，这枚火箭采用汽油液氧做推进剂，这枚火箭只飞行12。5米高，57米远，老实讲，还真不如个炮仗
　　，但这确实是人类第一枚火箭，戈达德也被称为美国火箭之父。
　　戈达德和他的火箭图源自参考资料真正可以实用的液体火箭应该是德国的V2火箭。1944年德国成功研制了V2火箭，这款火箭采用了液氧酒精做推进剂，射程300km，事实上开创了现代液体火箭的发展历程。不过纳粹德国开发这款火箭是为了战争，1944年，纳粹德国用这款火箭袭击了伦敦。在这之后，美苏两国在这款火箭的基础上开展了液体火箭的研发。
　　火箭发动机的结构
　　液体火箭发动机的主要结构有三个：推力室、推进剂供应系统和发动机控制系统。可以说是三大件了。推力室是火箭发动机完成能量转换并产生推力的装置，由喷注器、燃烧室和喷管组成。推进剂通过喷注器注入燃烧室，经过雾化、蒸发、混合后发生剧烈的氧化还原反应，产生高速气流从喷管中喷出。气流速度在25005000ms，燃烧室内压力高达约20MPa，温度在30004000左右。所以燃烧室的冷却也是火箭发动机的一种重要课题。推进剂供应系统是在要求的压力下，以规定的混合比和流量，将贮箱中的推进剂输送到推力室中的系统。按输送方式可以分为挤压式（气压式）和泵送式两种，前者一般应用于小推力发动机，后者则多用于大推力发动机。至于发动机控制系统就不用多提了，它的功能就是对发动机的工作程序和工作参数进行调节和控制。
　　土星五号第一级示意图图源自百度百科除了这三大件以外，火箭发动机还可能会有预冷系统、推力矢量控制系统等其他组件。火箭发动机的工作过程也就比较清晰了，推进剂在推进剂供应系统的控制下，以规定的混合比和流量被送入推力室，推力室通过喷注器将其注入燃烧室，在燃烧时经过充分燃烧生成高温燃气，从喷管高速喷出，获得巨大推力。至于具体的工作方式如果有机会可以找机会再聊。
　　推进剂
　　在液体火箭发动机中，最重要的就是推进剂了。在液体火箭发动机的发展历程中，我们对推进剂的研究可是一直在路上。液体火箭发动机的推进器有单组元和双组元之分，双组元很好理解。一个氧化剂，一个还原剂，二者发生剧烈的氧化还原反应，产生燃气来推动火箭升空。而单组元推进剂大家可能比较陌生。所谓单组元推进剂，顾名思义，只有一种组元，这种推进剂的推力来源于其自身的催化分解，单组元推进剂一般用于提供控制力的发动机，最常用的就是肼。
　　肼，又称联氨图源自参考资料肼是一种地面可贮存的单元推进剂，冰点高，常温下为液态，利于储存，但热稳定性差，在催化剂催化下可以分解为氨气和氮气并产热。不过虽说是单组元推进剂，但其实一般也不是只有肼，一般与MMH（甲基肼或一甲基肼，后文会提到）制成混肼与硝酸肼及水组成单组元推进剂，一般用于航天器姿态控制、轨道调整以及末助推器控制等场景。一些10N左右的微型发动机使用通常会选择使用肼。肼具有优越的脉冲式比冲，响应灵敏，可靠性高，最重要的是易于储藏，还便宜。当然，还有一个显著缺点是有剧毒。双组元推进剂则可以分为两大类：低温推进剂和可贮存推进剂。常用的低温推进剂有液氧液氢、液氧RP1；可贮存推进剂有NO混肼、NOUDMH、NOMMH、硝酸UDMH、硝酸肼等。
　　首先是可贮存推进剂，这种推进剂常温下就是液态，因此可以比较方便地储存。可贮存推进剂的主要成员还是肼类。先说UDMH，乍一看大家可能觉得很陌生，不过如果说起它的中文名字，大家应该会比较熟悉了。这就是偏二甲肼。这是肼系列燃料中热稳定性最好的一种燃料，可以单独使用，也可以与肼或煤油等组成混合燃料。但其实偏二甲肼比冲一般，即便是RD253，真空比冲也仅有310s。肼经常与其他燃料组成混合燃料。像50的偏二甲肼与50的肼组成的燃料就是混肼50，混肼50更稳定，密度和沸点更高更安全。像美国大力神火箭L87和俄罗斯SL13都使用混肼50。再举一个例子：胺肼。胺肼是肼与二乙三胺混合形成的燃料。胺肼冷却性能好，比冲也比肼更高。接下来依然是肼类燃料MMH，也就是甲基肼或一甲基肼。作为肼家族中的一员，MMH同样是一种可以全天候贮存的液体推进剂，冰点低，可以单独使用，也可以与肼或UDMH或与肼和硝酸肼组成混合燃料。MMH能量介于肼和偏二甲肼之间。具有很宽的液态温度范围，高温及高空性能都优于混肼50。不过MMH生产复杂，价格高，毒性也是三种肼类中最大的，甚至推力也低于肼。但MMH具有良好的多次启动的能力。入轨精度高，可以作为上面级火箭的姿态控制、速度控制和反作用控制发动机的推进剂。在双组元推进剂中，肼类燃料通常作为还原剂，与之搭配的氧化剂一般是NO。NO有一个显著特征，其颜色与二氧化氮相同，为红棕色，因此发射时，有红色烟雾升腾的一般就是N2O4做氧化剂了。本次发射使用的长征二号F火箭就是用偏二甲肼配合四氧化二氮做推进剂。大家可以注意观察一下点火的盛况。
　　红色的尾焰图源自参考资料除了NO以外，肼类还有使用硝基氧化剂的搭配。这种搭配的好处在于点火延迟期更短。延迟更短的点火更可靠，启动速度更快。使用硝酸作为氧化剂与混肼搭配点火延迟期为25ms，与UDMH搭配为4ms，与无水肼搭配更是只有2ms。接下来介绍一下低温推进剂。所谓低温推进剂指的是常温下为气态，只有低温下为液态的推进剂，这种推进剂不容易贮存，当然也会有一些其他优点，如廉价或比冲高。首先是RP1，别被这个名字唬了，这玩意其实是煤油，一种高度提炼的航空煤油。其氧化剂一般是液氧。开头提到过，早期的火箭使用的燃料是酒精，但后来大家发现，还是化石燃料好啊，碳氢燃料的燃烧效率更高，密度也更高。于是大家就盯上了煤油，煤油非常廉价，室温下更稳定，也更安全，而且无毒，环保无害。但煤油会带来另一个问题，煤油高温下会分解聚合，重质量的成分会产生沉积物，沉积在发动机上，堵塞冷却通道。于是RP1就诞生了。RP1严格控制了硫的含量，硫在高温下不仅会腐蚀金属，还能加剧碳氢燃料的聚合。同时将不饱和的烯烃和芳香烃含量降低，这些化合物本身就容易发生聚合，还用同分异构体代替了线性的烷烃，增强了抗热分解的能力。采用煤油的火箭还是很多的。美国登月用的土星一号的发动机F1就是液氧煤油发动机。我国的YF100也是用的煤油。现在的spaceX也采用这种方案。
　　这就是F1，如果F1上了F1赛场会咋样？图源自参考资料然后是液氢液氧。这个就非常简单粗暴了，这是当今比冲最高的推进剂组合（实用的），且环保无污染。液氧液氢都需要在低温下才能维持液态，因此采用这种组合的长征五号被大家亲切地称为冰箭。液氢的密度非常小，所以其体积很大，为此，我们有一个密度比冲的概念，就是单位体积的推进剂的比冲，液氧液氢的密度比冲并不如煤油液氧。此外，液氧液氢贮存比较困难，容易挥发。
　　一些推进剂组合的真空理论比冲（s）最后简单介绍一些其他的推进剂组合首先是液氟。大家应该都清楚，要论氧化性，氟才是真正的大哥，所以理论上液氟和液氢才是比冲的最强者。不过因为氟及氟化物具有剧毒，因此这种推进剂尚未进入实用阶段。
　　其次是甲烷，甲烷同样是化石燃料，但其相比于煤油结焦极限温度高得多，与液氧的在不同的混合比下都不存在积碳，对材料的腐蚀也明显少很多。不过其安全性却比煤油差，价格也比煤油贵。
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