為什麼會是煤油?

航天上為什麼會用煤油了?長七也是液氫液氧煤油發動機……直接液氫液氧提供動力不行么?為什麼還要有煤油……有沒有大神知道為什麼?


長七使用的YF-100和YF-115都是液氧煤油發動機,燃料當然得用液氧煤油了。樓主你說的液氫液氧煤油發動機是什麼黑科技啊?(滑稽
航空煤油(RP-1)+液氧是很普遍使用的火箭推進劑之一。世界上第一種實用火箭V2導彈燒的都是酒精呢。所以火箭使用煤油作為燃料是再正常不過的了,只要能燒沒有為什麼。

主流的火箭推進劑有:
1.N2O4(四氧化二氮)+MMH(一甲基肼)/UDMH(偏二甲肼)/N2H4(聯氨)
四氧化二氮與肼類燃料的推進劑組合推力一般,比沖一般,密度較高,沸點較高。
這一類推進劑的特點就是常溫下即為液態,所以又稱常規推進劑
多用於中型火箭、上面級和衛星以及軌道姿態控制系統(RCS),在軍事領域上應用於液體燃料導彈。我國長征二號至長征四號系列火箭及俄羅斯聯盟號火箭使用的就是四氧化二氮+偏二甲肼,俄羅斯的質子號火箭使用的是聯氨+四氧化二氮。

優勢:因沸點較高,燃料不易泄露,在常溫下便於儲存運輸,價格較為便宜。

劣勢:該燃料最大的缺陷就是有劇毒,不環保,腐蝕性極強且燃料加註時間較長。

長征三號乙火箭的尾焰顏色偏紫色或粉紅色,且產生有毒的NO2紅棕色煙

質子號火箭發射,尾焰與長征三號乙類似

2.LiquidH2(液氫)+LiquidOxygen(液氧)
液氧液氫燃料推力一般,比沖高,密度低,沸點低,特別是液氫沸點極低為-252.7℃,接近0K。
液氫液氧是航天普遍使用的推進劑組合,多用於太空梭和運載火箭末級。美國的太空梭、土五的二三級、長征五的一二級以及歐洲的阿麗亞娜5火箭使用的都是液氧液氫推進劑。

優勢:液氧液氫的最大優勢就是比沖高,唯一一種比沖可以上400s的推進劑,比沖高就意味著引擎燃燒效率高,節省燃料。
燃燒產物為水,推進劑無毒無污染,清潔環保。

劣勢:沸點低,液氫沸點僅為20.35K,極易蒸發,所以儲存難度大,很容易泄漏,因而上面級不使用液氫液氧,僅有助推火箭才使用。液氫液氧只有在即將發射前才進行加註。
密度小,液氫密度僅為70kg/m^3,相比之下煤油是820kg/m^3,偏二甲肼786kg/m^3,所以火箭液氫箱所佔體積相當大,典型的例如太空梭的大橙罐。

氫氧發動機推力相比煤油較低,最大推力的氫氧發動機為美國的RS-68,真空推力3308千牛,而最大推力的液氧煤油發動機即為土五一級的F-1發動機,真空推力達到6770千牛;蘇聯的液氧煤油發動機RD-170真空推力達到7550千牛。中國長期使用的氧氫發動機YF-75真空推力只有83千牛,長五一級使用的YF-77真空推力也只有700千牛。可見,大推力氫氧發動機研製難度之高。
以上種種使得液氧液氫燃料雖然效率極高,但是各項技術要求高成本昂貴,果然好東西只有土豪才玩得起嗎?( ̄? ̄)

儘管液氫液氧看似劣勢頗多,但就沖比沖高這一點,可謂一美遮百丑。

太空梭主發動機尾焰顏色偏藍且較透明

3.Kerosene(煤油)+LiquidOxygen(液氧)
液氧煤油燃料推力較大,比沖一般,密度較高,煤油沸點較高,液氧沸點較低。
液氧煤油同樣是航天中普遍使用的推進劑組合,多用於火箭第一級。土星五號的一級、俄羅斯安加拉火箭、長七長六以及長五助推器、SpaceX的獵鷹火箭都使用液氧煤油作為燃料。

優勢:推力較大,大推力的液氧煤油發動機很容易研製,在氫氧發動機中已經論述過,不再冗述。並且液氧煤油價格適中,和氫氧一樣相比常規燃料無毒無污染,環保綠色。
而煤油由於沸點高,易儲存,不易泄漏,技術要求不高。

劣勢:液氧沸點較低,不易儲存。和氫氧相比,比沖低了些。
綜合起來,液氧煤油推進劑性價比高

土星五號F-1引擎的尾焰為亮白色或亮黃色

4.固體推進劑
固體推進劑密度大,推力大,比沖低。
固推多用於火箭的助推器,典型的有美國太空梭的SRB助推器,以及未來SLS中使用的SSSRB助推器。還有大力神火箭的捆綁助推器、阿麗亞娜5的助推器都使用固推。同時固體推進劑也廣泛應用于軍事領域,如火箭彈、導彈等。

優勢:固推結構簡單,體積小,方便儲存,勤務性好,重點在於其推力大的驚人,美國太空梭的SRB推力達到12450千牛!因而廣泛應用於火箭助推器。再有可重複使用,一定程度上可節約成本。

劣勢:最大的缺點是比沖低,固推比沖在250~300秒,遠低於液推,工作時間短,加速度大導致推力不易控制,重複起動困難,從而不利於載人飛行。且其技術要求高,燃料毒性大。

太空梭固推產生大量的煙

一款優秀的火箭只使用一種燃料是不可能的,現代航天事業中,普遍採用的火箭構型是一級使用大推力的液氧煤油,二三級使用高比沖的液氫液氧;或使用全液氫液氧,外加捆綁液氧煤油助推器或大推力固推。採用全液氫液氧的似乎只有美國的德爾塔4重型,畢竟人家一級有大推力的氫氧發動機RS-68。
所以在保證火箭效率最大化的同時,還需要考慮成本和利潤,畢竟發射火箭是要錢的,商業發射中,成本大於利潤就得不償失了。SpaceX就非常精明,獵鷹9採用2級構型,使用液氧煤油作為燃料,一級使用9台梅林發動機,二級使用1台梅林發動機,發動機通用,再加上一級回收,大大降低成本費用。
(← ←好像扯遠了)
總而言之,推進劑的選擇既要看效率,又得看成本,同時還得考慮到現有的技術水平和現實需求。最實用的才是最好的!
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知乎第一次認真的回答,居然還能有4個贊,很滿足了。
這個回答純粹科普,發現原回答里液氫液氧密度小為優勢寫錯了,又修改補充了一下。


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