一箭穿雲驚浩宇，九天攬月燦星河（一）

一箭穿雲驚浩宇，九天攬月燦星河

——長征系列新型液體火箭發射的四大看點之一《推進劑篇》

2016年，中國的航天發射將迎來一個小高潮。天宮二號空間實驗室、神舟十一號載人飛船將陸續發射。同時，新一代運載火箭中的長征5號、長征7號也將迎來首發亮相。其中，長征7號運載火箭的所有部件已於2016年5月16日下午安全運抵海南文昌航天發射場。廣大航天迷和軍事迷都懷著濃厚的興趣和期望，等待著長征系列的新兵首秀拉開序幕。

這一次，我們從技術角度，來聊聊近年中國長征系列新型液體運載火箭的幾大看點。這第一篇，就來談談國產運載火箭的新型液體推進劑。

我國現有的液體火箭發動機，推進劑方案主要是：四氧化二氮/偏二甲肼，即氧化劑為四氧化二氮N?O?；燃料是偏二甲肼，英文縮寫UDMH,分子式(CH3)2NNH2。該型推進劑主要用於：

發射近地軌道衛星、返回式衛星的主要運載工具：長征2號丙運載火箭；

發射目前推力最大、主要用於地球同步軌道衛星和嫦娥月球探測器的運載工具：長征3號甲/乙運載火箭；

發射載人航天神舟系列飛船和空間站天宮一號的運載工具：長征2號F運載火箭

而2016年要首發的新型液體運載火箭，推進劑方案則有很大不同：

長征7號：芯一級、二級和助推器發動機，都是液氧/煤油，即以液態氧為氧化劑，以煤油為燃料的推進劑方案；

長征5號：助推器的推進劑方案，是液氧/煤油；芯一級和二級的推進劑方案為液氧/液氫，即以液氧為推氧化劑，液態氫為燃料。

那麼，長征系列新型火箭，為什麼要放棄四氧化二氮/偏二甲肼，使用液氧/煤油和液氧/液氫方案呢？

根據國內披露的相關資料，偏二甲肼的價格比煤油貴30倍，因此從成本上煤油作為燃料更合算。舉個例子，如果要發射一個中國載人空間站——20噸左右部件到近地軌道，採用四氧化二氮/偏二甲肼的二級半方案，推進劑的費用大概是3000萬-4000萬人民幣，而液氧/煤油方案大約只要200萬元不到。

綜合比較一下各種推進劑方案：成本最低的就是液氧/煤油和液氧/丙烷，二者都比液氧/液氫和液氧/甲烷推進劑的成本低50%到65%，更是固體推進劑價格的10-15%，因此具有非常顯著的成本優勢。

有朋友問了，既然液氧/煤油最便宜，長征系列新型火箭為什麼不是各級都採用液氧/煤油，而是又部分採用了液氧/液氫方案呢？

呵呵，賣個關子，我們後面再說。

偏二甲肼/四氧化二氮的安全性較差，其中:

偏二甲肼液體燃料的化學成分有毒，屬於三級中等毒性物質。而且，這種毒性致癌。更要命的是，這種燃料容易揮發並通過皮膚吸收。從火箭材料相容性上講，偏二甲肼與鋁和鋼可以相安無事，但卻與銅、銅合金難以相容。

再說推進劑中的強氧化劑：四氧化二氮，也有劇毒，呼吸道毒性和生殖毒性強烈。四氧化二氮的液體中往往含有分解出的二氧化氮，後者也具有神經麻醉的毒性。從火箭材料相容性上講，四氧化二氮哪怕遇到少量的水分，如空氣中的潮濕氣體，就會迅速分解形成硝酸。而硝酸對火箭內殼的鋁合金等構料和感測器具有極強腐蝕性。

以長三甲火箭為例：芯一級和二級使用偏二甲肼(UDMH)和四氧化二氮(N2O4)作為推進劑。以目前的材料技術，只能保證四氧化二氮/偏二甲肼推進劑在火箭體內安全保存最多6天。因此為了穩妥起見，總是在發射前24小時加註燃料，發射前8小時必須加註完畢。

這也是為什麼，我們往往在近年中國航天發射的新聞中看到，當加註火箭燃料時，執行任務的工作人員必須戴防毒面具和穿防護服。

與四氧化二氮/偏二甲肼推進劑相反，煤油與液氧都沒有毒，燃燒也只生成水和二氧化碳，與火箭的材料相容性也很好。因此它們作為推進劑的生產、保存、運輸和使用，具有更好的環境保護性。

至於液氧/液氫方案, 大家都知道液氧和液氫無毒，燃燒產物是水，不用說就更加環保了。

有朋友問了，那麼液氧/丙烷推進劑，還有液氧/甲烷推進劑，它們有沒有污染呢？

甲烷基本無毒，丙烷有微毒，燃燒產物都是二氧化碳和水。其實液氧和烴類完全燃燒的產物，大多都是相對環保的水和二氧化碳，毒性差別並不大。但是甲烷和丙烷容易揮發，揮發氣體遇到明火容易爆炸。特別是丙烷氣體比空氣重，任何泄出或滲漏，都比甲烷更加容易積聚在地面和角落，從而更容易遇到地面明火而爆炸。因此從安全性上講，煤油比甲烷、丙烷更安全。

順便說一句，固體火箭燃料的產物中，有大量三氧化二鋁、三氯化鋁和二氯化鐵固體顆粒，比液體燃料有更大的污染。也許就是這個原因，網載我兔航天工業近年來已經不再生產高毒高污染的固體火箭燃料，而是全部使用從俄羅斯進口的固體燃料。

偏二甲肼是一種常溫保存和使用的燃料，熱穩定性良好，對衝擊、壓縮、摩擦、振動甚至槍擊，均不敏感。只要解決了安全加註問題，日常貯存運輸的管理相對簡單，是這種燃料的最大優勢。因此偏二甲肼通常用在軍用導彈上，更具體的說，就是戰略導彈。比如俄羅斯的SS19，我兔的東風-4,、東風-5液體燃料戰略導彈、都使用了四氧化二氮/偏二甲肼推進劑方案。

而液氧/煤油推進劑，溫度方便性就差一點。因為煤油雖然也是常溫燃料，但液氧卻需要零下183℃低溫保存，相對來講不是很方便。而液氫/甲烷、液氧/丙烷、液氧/液氫推進劑方案，則無論是燃料還是氧化劑，都需要低溫保存。

這其中，液氧/液氫推進劑方案就最麻煩。因為液氫需要零下252℃低溫保存，超過了絕大多數氣體的凝固點。這意味著：如果在生產、貯存、運輸、加註等任何一個環節中混入空氣（或氦氣之外的其他任何氣體），混入的氣體就會立刻固化成小塊。這些固體一方面會阻塞傳輸推進劑的管道系統，從而造成液液氧/液氫發動機在燃燒過程中出現不穩定現象。另一方面，固體之間的微小碰撞帶來的能量，都有可能引爆液氫摧毀整個火箭。

由於上面這些原因，液氫、液氧、煤油這些低溫液體推進劑，大多用於民用航天運載火箭的發射，而不是對戰場環境要求很高的軍用導彈發射。插一句：過去中國的火箭發射場中，只有西昌具備液氫燃料加註能力，今後文昌也可以發射。但是酒泉和太原連低溫液氫推進劑儲存和加註能力都沒有。

相對於昂貴的偏二甲肼，液氧和液氫原料可以說是取之不竭的。目前主要從石化工業獲得，咱們不多說。

至於煤油作為火箭發動機的燃料，怎麼說呢？對於中國來說，這種原料的獲得既不容易，也容易。

有朋友倒了：不容易就是不容易，容易就是容易，兵器迷說話顛三倒四嗎？

呵呵，是這樣：中國毋庸置疑是產煤大國，但煤油並不是加工煤炭產生的，而是石油化學工業的產品。而且，用於火箭推進用的煤油，叫原油基航天煤油(國際上代號是RP-1)，必須採用國內特定油田的特定原油加工。因此資源稀少，比一般煤油和柴油要昂貴。這就是兵器迷說的不容易。

有朋友建議：中國儲煤非常豐富，能不能用煤制航天級煤油呢？

您說對了：內蒙神華集團和中國航天科技集團雙方戰略合作，進行航天級煤基煤油的研製開發。2015年4月12日上午，液氧煤基航天煤油的火箭發動機整機熱試車，在中國航天科技集團六院試驗區成功進行。航天六院發動機專家、新一代運載火箭副總設計師劉紅軍介紹，神華煤基航天煤油各項性能指標與原油基航天煤油相當，完全可以替代後者。這是世界航天領域首次在航天火箭發動機用「煤基煤油」代替「原油基煤油」。從此，我國極為稀缺的航天煤油燃料由此增添了一個難得的戰略性供給選項，這就是兵器迷說的容易。

中國的國情，決定了航天級煤油比液氫的供應更加便利，這與美國的情況有所差異。有興趣的童鞋，去查查兩國液氫的價格就知道了。美國的液氫比中國便宜N多倍。

有朋友問，剛才說了新舊推進劑在價格、環保等的差別，那麼作為火箭推進劑核心指標的推進效能，各種推進劑又有怎樣的差異呢？

為說明這樣的差異，我們先要了解火箭推進劑推進效能的術語——開始啃牆皮了哈。

A: 比沖（specificimpulse）

比沖，是描述推進系統的燃燒效率的專用術語，在航天領域用於描述單位重量的推進劑所產生的衝量。比沖越高，代表推進劑的效率越好。單位為米/秒（m/s）或牛·秒/千克（N·s/kg），工程上習慣使用秒（s）。

這個比較好理解，推進劑的衝量越大，產生同樣推力所需要的推進劑重量越少，火箭攜帶的燃料負載就越低。我們剛才談到過的幾種推進劑的比沖如下：

表1：幾種航天液體推進劑方案的比沖比較（特定混合比數據）

有朋友說：這麼看，除了液氧/液氫一家獨大，其他幾種差別不大啊，而且液氧/煤油的比沖似乎倒數第二，中國採用這種推進劑有沒有效率問題呢？

接著往下看：

B:密度比沖

密度比沖（density-specific impulse）: 是推進劑的密度與其比沖的乘積。這個也比較好理解，推進劑的密度比沖越大，產生同樣衝量所需要的推進劑的體積越少，火箭攜帶的燃料所佔的空間就越低。

我們剛才談到過的幾種推進劑的密度比沖如下：

表2：幾種航天液體推進劑方案的密度比沖比較（特定混合比數據）

這次有變化了吧。其實偏二甲肼/四氧化二氮和液氧/煤油推進劑方案的密度比沖都比較高，而液氧/丙烷和液氧/甲烷就差了10%-20%。至於液氧-液氫，就一下子跌到最後一位了：差了第一名60%左右——氫氣的體積是同等重量氧氣的16倍。液氧/液氫的相對密度也只有液氧/煤油的三分之一左右，所以密度比沖就下來了。

圖1： 長征5號一級液氫箱

因此，從密度比衝來講，液氧/煤油居於第二位，與第一位的偏二甲肼/四氧化二氮差別不大。同時又具備前述價格、環保、溫度、原料等長處。因此液氧/煤油作為長征系列火箭的新燃料還是很有綜合優勢的。

不過，煤油作為航天級燃料，也有一定的缺點。

有不少網友評論說，兵器迷是中間派，而且語氣並不都是贊同的，俺卻非常喜歡這個詞——中間派。

當下很多人愛走極端，善惡黑白，贊罵捧殺，分明愛憎，快意恩仇。中間派現在可絕對是少數派，呵呵。不過，既然討論的是技術，俺就做這個少數派好了

打住，回來說正事。

液氧/煤油推進劑的主要缺點是，煤油燃燒容易產生結焦和積碳，有燃燒不穩定的問題。日本研究H-IIA/B火箭的LE-7A發動機時，也想用液氧/煤油方案，就因為結焦積碳這個問題解決不了，因此曾提出了液氧/甲烷方案作為替代。

這是因為，甲烷首先在再生冷卻方面有優勢：液體火箭發動機的推力室，一般會用推進劑的一部分作為冷卻劑，使其流過冷卻通道來冷卻室壁，然後再流入燃燒室參加燃燒，這種冷卻方式稱為再生冷卻。而甲烷的比熱很高。就是說，單位質量的甲烷在改變溫度時，所吸收或放出的熱量是很高的，因此作為冷卻劑時,冷卻效果非常好，非常適合作為再生冷卻劑。同時，甲烷又基本不產生結焦（結焦溫度978℃，比煤油高400°左右），積碳幾乎不存在，在烴類燃料里，這是一個非常獨特的優勢。

不過，讓日本人鬱悶的是，液氧/甲烷方案也沒能進行下去。因為甲烷中含硫量高於5ppm時對銅內壁有明顯腐蝕，這對發動機和火箭上的銅和銅合金器件不是個好消息。雖然美國人研究發現，在冷卻通道上鍍金或鉑後腐蝕明顯減少，但貴金屬的採用大大增加了發動機的生產成本和工藝難度。

甲烷和丙烷要加工成合格的火箭燃料，也還有一個辦法，就是經過非常複雜的凈化脫硫程序，但這麼做成本也很高。同時，甲烷密度太小，飽和蒸汽壓力高，導緻密度比沖低，泵汽蝕性能也不易保證。所以，日本人繞了一大圈，最後LE-7A用的是液氧/液氫，當然也就不存在積碳結焦的問題。

應該說，蘇聯在解決煤油結焦積碳這方面問題的技術上最成熟。蘇方綜合採用了推進劑含硫量控制、調整推進劑初始溫度控制、燃燒室內壁材料優化、內冷卻環帶設計、燃燒室內高溫隔熱塗層、提高燃燒室壓力的同時採用富氧發生器等幾大措施，以其高壓補燃循環技術的深厚功力，在很大程度上解決了煤油的結焦積碳問題。

因此，我們在為長征系列新型火箭性能提升而高興的同時，也可以合理的推測，中國也已經解決了煤油燃燒結焦積碳的問題。中國新型液體火箭的推進劑，因而成為今年航天發射的一大看點。

在推進劑篇的最後，讓我們試著探討一個比較苛刻的問題：究竟什麼樣的液體燃料對於航天火箭是最好的？

一般來說，火箭在地面發射時，由於大氣密度和地心引力作用都處於最強水平，滿載的推進劑又沒有消耗，因此火箭載荷是最大的。因此航天發射的助推器發動機（有時也包括芯一級發動機），這時候需要提供很大的推力，需要很大的比沖。可是如果單看真空比沖，液氫/液氧發動機無疑是最大的（見上表1），似乎用它最合適。但它的密度比沖卻很低（見上表2）。使用液氫燃料，體積必然很大，氣動阻力也最大，再加上液氫貯箱的保溫材料要比其他液體推進劑的貯箱厚得多，會導致液氫箱的結構重量劇增。最終造成發射入軌的有效載荷降低。因此這樣的高比沖實際意義就打了折扣。此時，更適合採用密度比沖和真空比沖都很高的液氧/煤油作為助推器（有時也包括芯一級）動力的推進劑。

而到了航天火箭第二級（有時也包括上面級）工作時，助推器已經分離（如果到了上面級，則一二級分離也先後完成），火箭重量劇減。飛行已經在稠密的大氣層以外，氣動問題減弱，燃料體積偏大已經不是主要矛盾。這時候直接採用最高比沖的液氫/液氧作為發動機的推進劑，就是更合適的選擇。同時，氫氧發動機的重複啟動性更好，適合入軌控制調姿方面的要求，也更加適合作為上面級。比如，嫦娥三號探月工程就有著多窗口、窄寬度發射和高精度入軌的要求，因此只有氫氧發動機才能完成上面級的任務。

所以，像蘇聯的「能源號」火箭，就使用了液氧煤油助推器和液氧/液氫芯級的構型，而美國的「土星5號」火箭，採用了5台液氧/煤油做一級，和液氧/液氫做二三級這樣的構型。

長征5號，則在助推器採用了液氧/煤油，而在芯一級和二級採用了氫氧發動機。當然，這是一般而言，並不絕對，比如長征7號火箭也採用了芯一級和推進器都是液氧/煤油，而第二級用的也是液氧/煤油。

我們再舉一個例子：雖然中國的新型液體發動機研製項目，已經在緊鑼密鼓的進行中，也充分認識到四氧化二氮/偏二甲肼燃料有諸多缺點，但是2009 年，仍然啟動了採用這種推進劑的「遠征系列上面級」研製。其中，遠征2號與新型長征5號火箭組合，可以承擔一箭一星、 一箭雙星和一箭四星直接入軌發射任務，在軌時間6.5小時，具備2次啟動能力。為什麼呢，也有一個原因是看中了四氧化二氮/偏二甲肼這種燃料密度比沖第一高的優勢。

如同我們的上述討論，各種推進劑方案有不同的優缺點，因此沒有所有場景下絕對最好的選擇，只有特定需求和特定環境下相對較好的選擇。其實這個道理，也不僅僅是火箭推進劑領域的獨特之處吧。

推進劑說完了，現在來聊聊發動機。

欲知後事如何，且聽下回分解。

註：

所有資料來自於互聯網公開報道和公開出版物，如：

《中國液體火箭發動機》

《俄羅斯液體火箭發動機》

《液體火箭發動機技術發展》

《重型液體火箭發動機研究》

《液氧/煤油發動機》。

《液氧/甲烷發動機》

《兵工科技》，等等

本文引用了網上的所有圖片，均歸原作者所有，一併致謝！

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