火箭推进剂

火箭推进剂是为火箭发射提供动力的物质。一般以某种形式大量存储在推进剂容器里，被用来大量从火箭发动机喷射出以流体喷射物的形式，以产生推力作为推进。燃料推进剂往往与氧化剂推进剂燃烧产生大量非常热的气体。这些气体膨胀并从喷嘴喷出，不断加速，从火箭底部冲出产生推力直到火箭达到极高的速度。有时推进剂不会燃烧，但可以从外部加热都达到更好的效果。对于较小的实验推进器，使用压缩气体通过推进喷嘴喷出以推动飞船。

化学火箭推进剂是最常用的，火箭通过放热化学反应产生热气体达到推进目的。

在离子推进器中，推进剂是带电的原子，以磁性排斥的方式从飞船尾部推出。然而磁加速离子驱动器通常不被认为是火箭，而是一个使用电加热和磁喷嘴的类似级推进器。

## 概述

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火箭通过尾部高速喷气排出质量以产生推力（见牛顿第三定律）。

## 化学推进剂

主要有三种类型的推进剂：固体，液体，和混合型。

燃料和氧化剂均为液体的火箭称为液体火箭.

燃料和氧化剂两者均是固体为固态火箭。

其他使用不同物质组合作为燃料的发动机（火箭）称为混合火箭。

### 固体推进剂

#### 历史

最早固体火箭推进剂是在13世纪中国宋朝发展起来的。1232年，宋人在开封围城战中首次使用火药。

黑火药主要用作烟花和模型火箭的固体燃料。

对于军事应用，在第二次世界大战时，黑色火药就被硝化纤维取代。但均质固体推进剂大多属于低能推进剂,其出口速度小于2200 m/s。

1950 年代和 60 年代，美国研究人员开发了高氯酸铵复合推进剂（APCP）。这种混合物通常是69-70%精细研磨的高氯酸铵（一种氧化剂），结合16-20%细铝粉（一种燃料），混合在11-14%聚丁二烯丙烯腈(PBAN)或羟基封端的基料中聚丁二烯（聚丁二烯橡胶燃料）。混合物形成为稠化液体，然后浇铸成正确的形状并固化成坚固但柔韧的承重固体。高氯酸铵使用氧化剂等氯化合物时，燃烧产物具有有毒致癌物。

1970 年代和 1980 年代，美国完全改用固体燃料洲际弹道导弹：LGM-30 Minuteman和LG-118A Peacekeeper (MX)。

1980 年代和 1990 年代，苏联/俄罗斯还部署了固体燃料洲际弹道导弹（RT-23、RT-2PM和RT-2UTTH），但保留了两种液体燃料洲际弹道导弹（R-36和UR-100N）。

#### 描述

固体推进剂有两种主要类型。“复合材料”由大多固体氧化剂的颗粒，诸如混合物的硝酸铵，二硝酰胺铵，高氯酸铵，或硝酸钾在聚合物结合剂，用高能燃料化合物（实例薄片或粉末：RDX，HMX，铝、铍）。也可以添加增塑剂、稳定剂和/或燃烧速度调节剂（氧化铁、氧化铜）。

单、双或三基（取决于主要成分的数量）是一到三种主要成分的均匀混合物。这些主要成分必须包括燃料和氧化剂，通常还包括粘合剂和增塑剂。所有成分在宏观上无法区分，并且通常以液体形式混合并在单个批次中固化。成分通常可以有多种作用。例如，RDX 既是燃料又是氧化剂，而硝基纤维素是燃料、氧化剂和结构聚合物。

更复杂的分类是，有许多推进剂包含双基和复合推进剂的元素，它们通常包含一些均匀混合到粘合剂中的高能添加剂。在火药（一种没有聚合物粘合剂的压制复合材料）的情况下，燃料是木炭，氧化剂是硝酸钾，硫作为反应催化剂，同时也被消耗以形成各种反应产物，如硫化钾。

最新的基于CL-20（HNIW）的硝胺固体推进剂可以与NTO/UDMH可储存液体推进剂的性能相匹配，但不能节流或重新启动。

#### 优点

固态火箭推进剂优点有 重量较轻 对外界震荡及碰撞之危险性较小燃料保存年限较液态燃料久 也不须多余的管线或加压设备

#### 缺点

固态火箭推进剂的缺点有 工作时间短 一经燃烧即无法随便停止，无法控制燃烧时间。

### 液体推进剂

液体燃料火箭（液体火箭）时，液体的的燃料和氧化剂被储存在罐中，通过燃烧它是在发动机的燃烧室中的适当的比例混合产生推力火箭。推进剂注入到燃烧室超临界状态

尽管比固体燃料火箭更复杂和不可靠，但使用混合时自燃的自燃推进剂的火箭相对简单。此外卫星的姿态控制，例如对于一些发动机使用过氧化氢和肼作为催化剂的简单结构使用分解推进剂的单液型容易一些。

二战中使用的V2火箭以液氧（LOX）为氧化剂，以75%乙醇和25%水的混合物为燃料。在战后的导弹中，燃料已被煤油和肼代替，氧化剂已被液氧、四氧化二氮、硝酸等代替。已经提出了比现在更好的比冲的推进剂，例如使用液氟和添加锂，但从毒性、致癌性和腐蚀性等处理的角度来看，它们是不现实的。过去使用推进剂曾多次发生引发事故。

#### 优点

液体燃料火箭比固体火箭具有更高的比冲，并能够控制节流阀、关闭和重新启动。只有液体燃料火箭的燃烧室才需要承受高燃烧压力和温度。燃烧室冷却利用冷冻液体推进剂降温，大多数轨道运载火箭使用液体推进剂。

#### 缺点

液体推进剂的主要困难还在于氧化剂。可储存的氧化剂，如硝酸和四氧化二氮，往往具有剧毒和高反应性，而根据定义，低温推进剂必须在低温下储存，也可能存在爆炸、毒性问题。液氧(LOX) 是一般低温氧化剂 - 但其他诸如 FLOX、氟/LOX 混合物会有不稳定、毒性和爆炸性问题。

液体燃料火箭需要麻烦的阀门系统、密封件和涡轮泵会增加火箭的成本。由于高性能要求，高精密涡轮泵特别难制作。

#### 现状

主要燃油系统有：

- 二液式
- 煤油+液氧
- 液氢+液氧
- 液化甲烷+液氧
- 二液式（自燃式推进剂）
- 联胺+硝酸
- 一甲基肼+硝酸
- 不对称二甲基肼+四氧化二氮
- 单液式
- 联胺
- 过氧化氢

### 气体推进剂

气体推进剂通常涉及某种形式的压缩气体。然而，由于密度低，且压力容器重量高，目前很少使用气体推进剂，但有时也用于姿态喷嘴，特别是惰性推进剂。

GOX被用来作为Buran program的轨道操纵系统的推进剂之一。

## 惰性推进剂

一些火箭设计的推进剂来自非化学能源或甚至是来自外部的能源，事实上是借此产生反作用力的物质。例如水火箭使用压缩气体，一般是空气，迫使水从火箭喷出。

太阳能火箭和核能火箭通常建议使用液氢以达到600-900秒Isp（比冲），或在某些情况下，用水蒸汽达到190秒Isp。

此外对于低性能要求的情况，如姿态喷射器，也有用惰性气体氮气的。

## 混合比例

给出的化学推进剂理论排空速率是每单位质量推进剂（具体能量）能量释放的函数。未燃尽的燃料或氧化剂会影响具体能源。令人惊讶的是，大多数火箭载富燃料运行。

## 推进剂密度

虽然液氢有很高的Isp，其密度低是一个重要的缺点：每公斤氢占地的体积是密集燃料（如煤油）7倍多。这不仅对贮槽设施不利，而且油箱的管道和燃油泵，需要原来体积和重量的7倍。（引擎的oxidiser一侧和渣当然不受影响。）这使得航天器的干质量要高得多，所以使用液氢比起预想的不是这么有效。事实上，一些致密碳氢化合物/液氧推进剂组合具有较高的性能同时，干重的不利也包括在内。

由于较低的Isp, 密集推进剂运载火箭，具有更高的起飞质量，但这并不意味着一个成比例的高成本，相反，航天器很可能最终更便宜。液氢生产和储存是相当昂贵的，并在航天器的设计和制造带来许多实际困难。

由于较高的整体重量，密集燃料运载火箭必然要求更高的起飞推力，但它携带推力的能力要一直持续到达轨道。这一点，再加上更好的推力/重量比，这意味着密集燃料的航天器达到轨道早些时候，从而尽量减少重力阻力造成的损失。因此，这些航天器的有效delta-v要求减少了。

但是，液氢给予明确的优势，整体重量需要最小;例如，土星V飞行器在它的末级使用液氢;降低了重量，这意味着使用密集燃料的第一级可成比例的缩小，节省不少钱。

## 外部链接

- NASA page on propellants
- Rocket Propellants (from Rocket & Space Technology)
- History of solid rocket fuels
- Detailed list of rocket fuels, practical and theoretical
- Rocket Man Short essay by S. Abbas Raza about development of solid rocket fuel at 3 Quarks Daily