在几十年的火箭发展历史中,人类尝试了各种燃料,总体上能力还是停在利用化学燃料摆脱地球引力的阶段。经过几千年的文明发展,人类掌握了化学燃料的使用。它技术成熟、容易制取、易于控制、制造成本较低,逐步变成了人类火箭的不二选择。
不同于地球上绝大部分生物甚至普通的交通工具,在化学反应产生能量过程中,它们只需备足还原剂(产生能量的原料比如碳水化合物里的葡萄糖乃至汽油)、氧化剂从空气中获取氧气即可。但火箭会在几十秒内离开稠密的大气,必须自带氧化剂和还原剂,二者的相互作用才会产生巨大的热量和反推火箭的气流。一枚火箭几乎95%-98%的重量都是携带的燃料/贮存箱以及燃烧它们的发动机,真正的有效载荷部分屈指可数。
在长期发展过程中,形成了几大系列化学燃料,它们的简要对比如下:
其中,固体燃料是最早投入使用的,早在中国古代的黑火药便是典型。它的瞬间推力很大、成本低廉、体积小且存储时间长,使得它在军事应用中处于垄断地位。然而,由于较低的比冲(一个衡量单位质量燃料推动有效载荷速度改变的单位,越大意味着推进效率越高),只能在航天发射中处于配角地位。
四氧化二氮和联氨/联胺(肼)类是人类航天探测早期使用的燃料,二者在普通室温下都能保持液态、相比固体燃料有着优秀的比冲,苏联火箭和中国的长征火箭曾长期使用这种燃料。然而,它却有剧毒,对发射场污染极大,目前已经在逐步退出历史舞台。
上图:某次长征2D型火箭发射,橘黄色烟雾来自四氧化二氮燃料
中图:某次土星五号火箭发射,滚滚黑烟来自液氧煤油燃料
下图:某次三角洲-4重型火箭发射,白色烟雾来自液氧液氢燃料(水蒸气)
自戈达德时代起,火箭专家们就意识到液氧液氢或许是最理想的火箭燃料。然而事实并非如此,液氧液氢密度很低、保存极难(液氧沸点-183℃,液氢沸点-253℃),几乎只能在发射前加注且体积巨大,对存储罐强度和保温性能要求极高,对发动机燃烧室和喷管的要求也远远高于其他燃料。因此,液氧液氢既是最理想的燃料、也是最难应用的燃料,世界航天大国的航天发射实力也往往能以液氧液氢发动机的设计能力来衡量。在此过程中,液氧煤油组合成为一个完美的过渡组合:它拥有不错的比冲、对发动机和燃料加注的要求都大大降低。人类历史上最大的火箭土星五号便采用了它作为主一级火箭推进燃料,而在第二级上采用了液氧液氢。它们的组合造就了登月的神话