運載火箭燃料為什麼使用煤油和液氧,其中的液氧是如何生產,儲存,和加註的?

予願予求


想知道這個問題,你要先了解幾個概念。首先就是火箭的兩個核心指標“推力和比衝”。推力,很好理解就不說了。比衝,每公斤燃料產生一公斤推力的持續時間,也就是推進效率,比衝越高,也就是火箭燃料的利用效率越高,就能飛的更遠、可帶載荷更大。而液體燃料在比衝上具備固體燃料所不能比擬的先天優勢,所以早期的彈道導彈也大多選用液體推進劑。

其次,我們需要了解各類火箭燃料的優缺點:酒精,一開始德國火箭的燃料就用這個,好處是不依賴石油,壞處是能量密度極低。肼基燃料,好處是可以常溫保存,缺點是劇毒、氧化劑有腐蝕性、價格貴,所以一般只在液體燃料導彈上或者宇宙飛船上用。煤油,可常溫保存,推力大,不易重複使用,所以常用於火箭的第一級,大推力場合應用。液氫,比衝高,方便重複利用,但是燃料密度低、需要低溫保存,一般用作火箭上面級,不考慮推力,需要大比衝的工段。液態甲烷,比衝煤油高,密度和保存溫度比液氫高,屬於綜合性能最好的新一代液體燃料,並且方便重複使用,未來將逐步替代煤油和液氫。
所以回到問題本身,煤油和液氫作為液體燃料,都有其固有的優缺點,所謂“有一利必有一害,兩害相權取其輕”,他們兩個一般都是同時利用的,只不過液氧煤油發動機在第一級,液氧液氫發動機在上面級而已。

液氧液氫燃料對於保存和製造的困難

大家都知道,液氫需要低溫保存,所以對於製造和存儲造成諸多困難,例如倘若管路中的液氫遇到了空氣,那麼空氣就會凝結堵塞管路。此外,氫氣的密度比大部分氣體都低,分子相對而言非常小,所以能夠滲透別的氣體無法滲透的地方,所以儲氫管路、閥門對於設計製造有極為苛刻的要求。而氫氣對於金屬材料也非常挑剔,一般的金屬被氫氣滲入後會造成氫脆問題,終歸是難度頗大。

上圖是歐洲“阿麗亞娜5號GS”型火箭,主火箭體中紅色就是氧氣罐(O2),青色是氫氣罐(H2),可以看到液氫儲罐相對液氧罐來說大的多,但是相對重量又很輕,整體組合形式不如液氧甲烷組合。液氧甲烷火箭的液態甲烷罐和氧氣罐的體積就差不多,整體設計起來就會友好的多。

液氧煤油發動機的缺點

除了前文我們說的各種燃料的固有先天優缺點外,液氧煤油發動機工作時容易焦結,提高燃燒室壓力的潛力不大。同時煤油燃燒的的複雜程度,比氫氣燃燒和甲烷燃燒的化學反應複雜的多,這就給發動機設計、流體力學和燃燒模擬工作帶來了很大的挑戰。


分享到:


相關文章: