我國長二丙一級落地，黃煙四起到底怎麼回事？——漫談運載火箭的推進劑
說明
6月27日中午，火箭殘骸墜落貴州福泉，升起大量黃煙。福泉市人防辦回應：6月27日西昌衛星發射中心發射的長征二號丙運載火箭一級殘骸墜落在福泉市境內（
見下面視頻
），無人員傷亡和重大財產損失。但是一定會有網友好奇的問到，為啥我國火箭的殘骸墜落地面有時會發生爆炸，同時升起一陣黃煙呢？
這是因為我國老一代長征火箭最早源自東風五號洲際彈道導彈，採用了獨特的肼基推進劑組合
，說起推進劑，今天咱就從世界第一款液體火箭說起，聊聊不同運載火箭的推進劑組合的故事。
本文作者：
超級Loveovergold，
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自從美國火箭學家羅伯特?戈達德於1926年發射人類歷史上第一枚液體火箭之後，科學家和工程師一直在尋找威力更大、更環保、更易貯存的液體火箭推進劑。
一、液氧/汽油——第一枚液體火箭發動機的推進劑
1926年3月16日，戈達德在馬薩諸塞州的奧本成功發射了
歷史上首枚液體燃料火箭
。這枚火箭採用液氧/汽油作為推進劑，總長約3米，頂部是0.6米長的火箭發動機，它的下方連接了兩個串向推進劑貯箱，用兩個長約1.5米的中空細管將
液氧和汽油高壓擠壓到燃燒室中
。3月16日，戈達德和妻子以及兩個助手在沃德農場進行了世界上第一枚液體火箭的發射試驗，雖然僅飛行了41英尺高、185英尺遠，歷時2.5秒，但這是人類第一枚液體火箭。
圖1.人類航天史上第一枚液體火箭
二、液氧/酒精的V2——希特勒孤注一擲的戰爭武器
V-2火箭的發動機使用液氧/酒精作為推進劑
，推力可達56,000磅力。之所以用酒精，是充分利用了酒精較高的汽化吸熱能力，使得液膜冷卻和再生冷卻的方法對推力室高效冷卻。渦輪泵的氣體發生器採用由高錳酸鈉溶液催化過氧化氫（雙氧水）分解生成的高溫氣流，驅動渦輪泵進行泵壓式增壓輸送推進劑。
圖2.液體火箭發動機的祖師爺----V2發動機
用汽油/酒精和氧（尤其是氣態氧）取材方便，價格公道，很多航天愛好者都採用了這種方案。但是致命的缺點是比沖低。介紹一下比沖：specific impulse，
比沖的定義為單位質量推進劑所產生的衝量，是用于衡量火箭或飛機發動機效率的重要物理參數
，直白的說，就是推進劑組元的能耐、烈性。比沖相差10%則運載能力差30%，對於志在把更重、更大的載荷送到更高的專業方向來說，科學家和工程師是孜孜不倦。
不過冷戰背景下，還要考慮投擲武器的戰備問題，因此對於導彈的推進劑除了比沖之外，還有其他的考慮維度。有興趣了解這段歷史的可以詳見往期文章：運載火箭的前輩—恐怖的納粹德國V系列導彈
三、冷戰的寵兒----全家都劇毒的肼燃料
發動機採用液氫、液氧，或者氧化劑採用的液氧的組元，
這類低溫推進劑都有個蒸發的問題
。因此貯箱不能完全封閉，否則隨著溫度上升，低溫液體會不斷蒸發成氣體會導致內部壓力過大而爆炸。實際上液氫和液氧都是在發射倒計時前才注入火箭內的，從那時起燃料罐就開始不斷漏氣泄壓，一直補加燃料，補充揮發掉的部分（運載火箭發射時看到冒霧的原因）。
如果軍事用途的戰備火箭軍採用這種方式，那無論是從日常管理、安全性（防靜電）、費用上都難以保證的
。
從戰備要求更高的軍用火箭的實用需求出發，初期的火箭發動機多採用常溫下穩定的肼、一甲基肼(MMH)、偏二甲肼(UDMH)、混肼50(50%肼50%偏二甲肼，歐空局還有其他混合比)，氧化劑採用硝酸或N?O?。事實上，其組元的沸點高於298K(25℃)，這些已經屬於高沸點推進劑，
在地面使用條件下是液態，無蒸發損失。在密封貯箱的條件下，可貯存較長時間
。具體來說，可以分為以下幾類：
（一）天使惡魔——偏二甲肼燃料
UDMH，劇毒，對中樞神經和肝臟損害大，致癌，採用硝酸或N?O?等作氧化劑，有較寬的液態溫度範圍和較高的能量特性,有更便捷的軍事用途,但比沖一般，作為巔峰質子火箭發動機RD-253，分級燃燒循環，真空比沖也僅316秒。氧化劑N?O?本色無色，但N?O?是由棕紅色的二氧化氮疊合而成。N?O?==2NO?（可逆），隨著溫度升高，二氧化氮增多，顏色加深，由褐色到赤紅色，因此發射的時候出現橙紅色是其明顯特徵。（曾經出現不少類似的高考題目，要求方程式配平）
四氧化二氮受熱之後，二氧化氮增多會變色
圖3.質子火箭發射（羅戈津說要把質子退役掉，你信么？）
（二）美麗而劇毒的肼燃料
Hydrazine，又稱聯胺，
毒，也是劇毒，對眼睛、肝臟損害大
。肼的沸點為113.5℃，常溫下液態，這是魔鬼誘人的一面。
圖4.肼(Hydrazine)分子式
圖5. Hydrazine，又稱聯胺，常溫下液態，劇毒
肼在在催化劑幫助下分解成氨氣和氮氣並放熱，如果控制氨解離成氮和氫的吸熱反應，最高可以得到1650K的燃氣溫度。
單組元不需要氧化劑，
分解使能即開即停，優勢明顯，
通常作為小推力姿態控制發動機
，在牛頓級推力的微型姿態調整發動機上用單推肼是最合適不過。
圖6.超純肼的物理特性
著名的旅行者號任務艙裝載了104公斤姿態調整專用的肼，貯存在71公分直徑的鈦燃料罐裡面，通過氦氣擠壓內部的有彈性的膜片完成推進劑供應，驅動0.9N的姿態控制單推肼發動機，成功的完成了引力彈弓借力，飛出太陽系！
這些姿態控制發動機至今仍在工作
。（發射距今已超過40年）
需要指出的是肼推進劑的冰點比較高，達到2攝氏度，因此在寒冷的深空，旅行者號不得不把寶貴的電力用來加熱鈦燃料罐、閥門等，防止肼結冰導致的事故。
此外，太空梭輔助動力單元（APU）的渦輪泵採用了肼燃料燃氣發生器，每台僅88磅重，功率135馬力。主要用於操控SSME（太空梭主發動機的縮寫）的液壓閥、執行機構、降落的時候釋放起落架等。不過肼本身的熱穩定性還比較差。
（三）變軌專用推進劑一甲基肼
一甲基肼，MMH, 沸點87.5℃，冰點-52℃，與氧化劑N?O?接觸能自燃，能夠多次啟動。MMH有較好的耐衝擊性，受到相同強度的壓力衝擊時，肼在369K就發生爆炸，而MMH在419K時才分解。
圖7. 一甲基肼分子式
圖8.一甲基肼分子，白色為氫原子，黑色為碳原子，藍色為氮原子
MMH+ N?O?雙組元大推力，解決了過氧化氫，或者單推肼催化、電熱分解姿態控制發動機燃料比沖小、推力小的缺陷
。普遍用於衛星的遠地點發動機（靜止軌道衛星）、變軌、姿態調整。甚至太空梭軌道機動系統（OMS）的AJ10-190發動機也用這個配方，他安裝在垂尾兩側，合計推力達到53.4千牛。
圖9. 太空梭軌道機動系統（OMS）的AJ10-190發動機
圖10.軌道機動系統（OMS）兩個大罐分別為MMH和N?O?
X37B也採用了這種燃料用於變軌，可以看到最近剛剛回地球的X37B，
歡迎它的是全副武裝、穿隔離服的地勤，在抽吸沒有用完的軌道機動燃料一甲基肼
。
圖11.工作人員全副武裝，給X37B抽取用剩下的MMH
（四）混肼50
別名航空肼（Aerozine 50），
是肼和偏二甲肼的50/50重量份混合物
，上世紀50年代末由美國通用航空噴氣公司研製，高能，廣泛用作火箭燃料，
混肼對肼冰點過低的問題（2攝氏度）進行了改性，比肼更穩定，比單純UDMH具有更高的密度和沸點，提高了安全性，並允許用作發動機中的循環冷卻，採用四氧化二氮作為氧化劑
。在大力神火箭LR87等美系毒發中均採用此燃料。
圖12.大力神火箭3C
最後說一下家譜，誰最毒？在三種肼類燃料中，MMH的毒性最大，肼次之，UDMH毒性最小，他們對於皮膚、眼睛有強烈刺激，還會導致肝癌等病變。
因此，在環保的時代，越來越多的火箭摒棄了肼燃料，而採用了以下推進劑配方
。
四、液氧煤油——吃苦耐勞、價格親民的環保推進劑
煤油突出特點是成本低，無毒環保，性能較高, 和液氧在一起成為最佳拍檔，代表發動機有F1、RD170/180、SpaceX的Merlin系列發動機。航天火箭用煤油，國外直譯常常稱為RP-1（Rocket Propellant-1或Refined Petroleum-1），RP-1的軍用規格在MIL-R-25576中有詳細描述，其規格主要就是12個碳原子的分子，
因為沒有輕碳分子，RP-1 有較高的燃點，因此比汽油甚至柴油更不容易發生火災
。蘇聯和俄羅斯的火箭級煤油與RP-1非常相似，稱為T-1或者RG-1，規格非常類似RP-1，但與0.81g / ml的RP-1相比，密度更高，為0.82至0.85g / ml，主要目的是為了提高燃料密度。
圖13.火箭煤油RP-1
圖14.藍領階層的代表--土星五號的一級液氧煤油發動機F1
但液氧煤油有兩個不足，真空比沖367秒較氫氧的463秒差距非常大，比沖相差10%則運載能力差30%，因此液氧煤油更適合做吃苦耐勞的一級；煤油燃燒會因為硫含量存在不同程度積碳影響重複使用；煤油作為冷卻劑，受到結焦溫度低的限制，製冷效果受限。目前通過分級富氧燃燒、提高燃燒室壓力已經逼近理論極限。
蘇聯在極短的時間內掌握了火箭燃料箱中冷卻煤油，實現了更高的密度，在貯箱內存放更多煤油。現如今SpaceX也這麼干，Falcon9後續型號採用了預冷煤油至-7攝氏度，密度增大4%。不過SpaceX在這個方向上玩出了事情，他們把液氧預冷到接近液氧冰點（-218.4度）的-207度，密度增加了8%，但複合材料纏繞壓力貯箱的碳纖維好像會摩擦，產生靜電。2016年9月1日，在燃料加註的過程中二級氦貯箱爆炸，損失慘重。
蘇聯還人工合成了一種煤油，叫做Syntin 煤油，他的化學分子式為C10H16，由具有張力環結構的四種同分異構體組成。與航天火箭用煤油相比，
Syntin 煤油的冰點較低，從RP-1的零下40度，改進到零下70度以下，進一步適配空間低溫工作要求
；相同條件下的動力粘度小，流動性能更優，相同溫度下的密度和飽和蒸汽壓稍高；傳熱性能與火箭煤油相當，安全性可控；材料相容性好，存儲性能穩定。液氧/Syntin 煤油的理論真空比沖比液氧/火箭煤油相應值高出8~15.3秒，典型的如RD-58S 火箭發動機的真空比沖高達361秒，發揮出液氧煤油上面級發動機的潛力。
五、火箭推進劑的皇冠——液氫液氧
大家都喜歡管長征五號叫「冰箭」，液氫液氧主發動機無毒無污染。先驅齊奧爾科夫斯基提出液體推進劑比固體推進劑能提供更多能量，並早就提出認為液氧/液氫是用於航天飛行的最佳推進劑，但-252.7℃液氫和-183℃液氧實在太難伺候了，從工程學上實現花費了極大的努力，具體可看我的往期文章高能金牌上面級——美國半人馬液氫液氧上面級。
液氫液氧推進劑缺點一大堆，液氫密度小，所需貯箱體積大；液氫超低溫，沸點為-252.7℃，極易蒸發和逃逸，儲箱保溫外殼的重量比例佔到了12%。
圖15.太空梭超大液氫/液氧外部貯箱，黃色是因為噴塗了一層隔熱用的聚氨酯泡沫
圖16.貯箱內部巨大液氫罐！
液氫遇見不得空氣，否則結冰的氧、氮都會堵塞管道。但是液氫液氧的比沖超過460秒、無積碳、無污染，一美遮百丑，是多級火箭上面級的最佳選擇。美蘇兩大競爭對手在大推力液氫液氧發動機的研製上都有突破，迄今為止SSME和RD-0120（帝國的餘輝—蘇聯能源號火箭主發動機RD-0120簡介）還是當仁不讓的優秀髮動機代表。冷戰後，走向現實、回歸理性、價格為王后，採用燃氣發生器循環的RS68則是世界上目前推力最大的氫氧發動機，海平面推力達到663000磅力（2.9 MN），真空推力達到751000磅力（3.3 MN）。
六、液氧甲烷推進劑——星際旅行特款
甲烷搭配液氧很多方面表現叫中規中矩：
（一）比沖較高：比沖379秒
（二）基本無積碳：甲烷結焦溫度為950K，煤油結焦溫度為560K，基本可以避免烴類燃料使用過程中的積碳和結焦。
（三）導熱性好，同時易於多次啟動和變推力調節。
但其密度（424公斤每立方米）不高，比沖只能說較高，高不成低不就，綜合性能不如高壓補燃循環的液氧煤油、比沖不如液氫液氧，雖然早就做了大量的研發和測試，但一直未被重視，長期坐冷板凳，直到星際旅行概念的興起
。
星際旅行要求發動機能夠重複長時間使用、燃料就地取材的需求，液氧甲烷推進劑的優勢這個時候顯現了。
其一，甲烷沸點為-161度，液氧沸點為-183度，兩種工質的理想工作溫度更接近空間環境溫度，
理論上更易實現推進劑的空間長期貯存，屬於空間可貯存推進劑
。而且由於溫區接近，
兩種推進劑貯存及保溫可以採用同樣的方案和工藝手段
，利於簡化系統，貯箱可以共底，貯箱間無需特殊的絕熱，簡化貯箱設計，減輕結構質量。
其二，19世紀的法國化學家保羅?薩巴蒂爾(Paul Sabatier)在1912年發現了使用二氧化碳生成甲烷的反應，在高溫（300-400℃）和一定壓力下，在催化劑（如：鎳，釕或氧化鋁）的協助下，CO2 + 4H2 -----> CH4 + 2H2O，這個反應又稱薩巴蒂爾反應或甲烷化反應。
火星大氣層的主要成分是二氧化碳，只要能夠找到水，利用太陽能或者核能電解水產生氫（氧可以提供宇航員呼吸），與二氧化碳反映就可以生成甲烷用於下一次飛行。據稱，馬斯克宣稱SpaceX正在研發在火星基地工作的薩巴蒂爾反應器。
目前SpaceX正在研發液氧甲烷發動機猛禽——Raptor，燃燒室室壓25MPa，真空推力1900kN。
圖17.PPT上的猛禽發動機，推力1900Kn，比沖375秒
2016年猛禽已經縮比試車成功，42次測試總時長達到了1200秒，最長的一次超過100秒，室壓超過200個大氣壓。
圖18.猛禽縮比試驗
七、其他另類的液體火箭推進劑
沒有最毒，只有更毒！毛子在提升液體火箭推進劑比衝上是認真的，是拚命的！在RD-270研發期間，一開始的推進劑是大家熟知的劇毒常溫推進劑----四氧化二氮(N?O?)、偏二甲肼(UDMH)，但格魯什科還研究了改進版本RD-270M，使用戊硼烷（pentaborane）推進劑，雖然會有更大的毒性問題，但會增加發動機的比沖42秒，達到365秒。
另外蘇聯還研發了RD-350，用於UR700的上面級，3台合計推力350噸，比沖達到464秒！這麼高的比沖，原因在於使用了液氟/液氧！
液氟與很多燃料組合的推進劑有很高的比沖，密度也比液氧高、其沸點比液氧低，為-188℃，作為氧化劑指標非常棒！液氟/液氫是比沖最高的雙組元推進劑，理論達到490秒。
圖19.看著就感覺滲得慌的UR700，用了更毒的戊硼烷、氟
美國洛克達因公司在上世紀60年代，把液氫液氧的RL-10改為OF2（二氟化氧）/CH4推進劑，研製了比沖為417秒的發動機樣機，因為安全問題未採用。
由於氟和氟化物有很高的毒性，有腐蝕性，貯存與運輸都不安全，生產成本也高，應用過程中問題很大，美蘇兩個超級大國做了各種論證和試驗，不過至今未被應用在具體發射任務上。
也有在液氫/液氧推進劑中，添加輕金屬（鋰、鈹或者鋰、鈹的氫化物），輕金屬和氧化劑反應，產生高溫，不過毒性、費用都要考慮考慮。
最後把各類液體推進劑的比沖做一個橫向對比：在推力室壓力10MPa，噴管擴張比70條件下，各款液體火箭推進劑比沖結果如下。
圖20. 各款液體火箭推進劑比沖
圖21. 各款液體火箭推進劑價格（2014年行情）
也許你會說，那麼固體火箭發動機如何呢？
固體火箭發動機，性能最好的，也就280秒出頭的比沖，效能不高，而且由於不能重複點火
，總衝量不容易控制，一般是用在助推級。
結束語
地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠被束縛在搖籃里----齊奧爾科夫斯基。以目前人類的智慧，液體火箭發動機是走出這個搖籃最為可行的辦法。
感謝禹天福老前輩！
我，一個孤獨的行者（ 新浪微博ID:超超級Loveovergold），原創不易，轉載請註明出處！
（全文完）
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