發(fā)射衛(wèi)星的火箭燃料

　　發(fā)射衛(wèi)星的火箭燃料要體積小，重量輕，但發(fā)出的熱量要大，這樣才能減輕火箭的重量，使衛(wèi)星快速地送上軌道。液體燃料放出的能量大，產(chǎn)生的推力也大；而且這種燃料比較容易控制，燃燒時間較長，因此，發(fā)射衛(wèi)星的火箭大都采用液體燃料。

　　液體火箭發(fā)動機是指液體推進劑的化學(xué)火箭發(fā)動機。氧化劑和燃燒劑必須儲存在不同的儲箱中。液體火箭發(fā)動機一般由推力室、推進劑供應(yīng)系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)組成。推力室是將液體推進劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成推進力的重要組件。它由推進劑噴嘴、燃燒室、噴管組件等組成。推進劑通過噴注器注入燃燒室，經(jīng)霧化，蒸發(fā)，混合和燃燒等過成生成燃燒產(chǎn)物，以高速（25O0一5000米／秒）從噴管中沖出而產(chǎn)生推力。燃燒室內(nèi)壓力可達2O0大氣壓（約20OMPa）、溫度300O～400O℃，故需要冷卻。推進劑供應(yīng)系統(tǒng)的功用是按要求的流量和壓力向燃燒室輸送推進劑。按輸送方式不同，有擠壓式（氣壓式）和泵壓式兩類供應(yīng)系統(tǒng)。擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)是利用高壓氣體經(jīng)減壓器減壓后（氧化劑、燃燒劑的流量是*減壓器調(diào)定的壓力控制）進入氧化劑、燃燒劑貯箱，將其分別擠壓到燃燒室中。擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)只用于小推力發(fā)動機。大推力發(fā)動機則用泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是用液壓泵輸送推進劑。發(fā)動機控制系統(tǒng)的功用是對發(fā)動機的工作程序和工作參數(shù)進行調(diào)節(jié)和控制。工作程序包括發(fā)動機起動、工作。關(guān)機三個階段，這一過程是按預(yù)定程序自動進行的。工作參數(shù)主要指推力大小、推進劑的混合比。液體火箭發(fā)動機的優(yōu)點是比沖高（25O～5OO秒），推力范圍大（單臺推力在1克力～700噸力）、能反復(fù)起動、能控制推力大小、工作時間較長等。

　　液體火箭的推進劑，其中比較常用的有：四氧化二氮-肼類（偏二甲肼，一甲基肼，肼），液氧-煤油，液氫-液氧等。;四氧化二氮-肼類推進劑被廣泛使用，特點是可存儲，并且四氧化二氮和肼接觸后可以自燃，可*性高。四氧化二氮-肼類最早用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈，后來也用于航天的運載火箭。蘇聯(lián)的SS-7，現(xiàn)役的SS-18，SS-19，美國的大力神，中國的長征1，2，3型火箭，俄羅斯的質(zhì)子火箭，阿利亞娜1，2，3，4型火箭都在下面級使用了四氧化二氮-肼類推進劑。;四氧化二氮-肼類的比沖還可以，約230秒左右，各國新一代的運載火箭都不再使用。四氧化二氮是強氧化劑，偏二甲肼是強還原劑，它們的分子一經(jīng)接觸就會發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，放熱而著火燃燒。燃料雖具有良好的比沖性能(Isp約300s)和自燃特性，但它們的毒性較高。

　　談先進的液氧(煤油)火箭發(fā)動機張貴田，航天技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)展最快的尖端技術(shù)之一，是一個國家科學(xué)技術(shù)水平和國民經(jīng)濟實力的綜合反映，是一個國家科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志，亦是綜合國力的象征。航天技術(shù)高度綜合集中了許多基礎(chǔ)科學(xué)和新技術(shù)，如數(shù)學(xué)、近代力學(xué)、自動控制、電子計算機、真空與低溫技術(shù)等，它的發(fā)展促進了一大批基礎(chǔ)科學(xué)和現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，如新材料、空間物理、航天醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)等。航天技術(shù)的發(fā)展、宇宙環(huán)境的應(yīng)用導(dǎo)致了一系列出乎意料的技術(shù)革新。當(dāng)今，一些發(fā)達國家正在以大空間概念設(shè)計國民經(jīng)濟未來發(fā)展的藍圖，把航天技術(shù)產(chǎn)業(yè)作為未來發(fā)展的一個戰(zhàn)略重點，認為它是發(fā)展各類高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)頭技術(shù)，它能帶動一大批高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)其它基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動和促進新工藝、新材料、新能源等技術(shù)的進步，航天技術(shù)對國民經(jīng)濟的發(fā)展將起到“加速器”和“倍增器”的作用。

　　航天科技工業(yè)的發(fā)展對推動解決我國面臨的人口與資源、環(huán)境與災(zāi)害、通信與交通、教育與文化等重大社會問題起到了其它任何技術(shù)和產(chǎn)品不可替代的作用。同時，航天技術(shù)對國家的國防建設(shè)具有極其重要的意義，這一點已得到共識。目前戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、軍事測繪偵察、作戰(zhàn)指揮和通信等方面廣泛應(yīng)用于國防建設(shè)，并取得了顯著效果。宇宙空間是現(xiàn)代軍事竟?fàn)幍闹聘唿c，航天技術(shù)與防御技術(shù)已很難分開，這在戰(zhàn)略威懾和現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中表現(xiàn)得尤為顯著。

　　航天技術(shù)能夠產(chǎn)生巨大社會效益和經(jīng)濟效益的主要途徑是通過應(yīng)用衛(wèi)星來實現(xiàn)的，而運載火箭扮演著極其重要的角色。在近40年的發(fā)展中，我國航天科技工業(yè)依*自己的力量，研制成功了長征系列運載火箭，達到了全型譜的運載能力，并已成功將我國自行研制的通信、返回式遙感、氣象等應(yīng)用衛(wèi)星送到靜止、近地和太陽同步等不同的軌道，而且先后成功地為西德、澳大利亞、瑞典、法國、美國等國家發(fā)射衛(wèi)星或其它有效載荷。我國的長征火箭成為世界發(fā)射市場的主要運載工具之一，昂首闊步地進行國際商業(yè)發(fā)射市場，使中國航天在國際航天界占有一席之地，并享有較高聲譽，顯示了社會主義中國的綜合實力。

　　雖然我國航天技術(shù)取得了巨大的成就，引起了世人的矚目，但是應(yīng)該清醒地認識到我們的不足。目前，我國現(xiàn)有的長征系列運載火箭是在戰(zhàn)略武器的基礎(chǔ)上演變延用而來的，其推進劑(偏二甲肼／四氧化二氮)毒性大、污染嚴重、價格高、性能低，其不足是很明顯的。美國、法國、前蘇聯(lián)等航天大國對于推進劑的毒性和污染問題高度重視。美國從1970年就禁止在本土上生產(chǎn)偏二甲肼，法國阿里安火箭所用的偏二甲肼一直從蘇聯(lián)購買，而且不在本土上發(fā)射(在法屬圭亞那庫魯航天發(fā)射中心發(fā)射)；原蘇聯(lián)解體之前曾下令禁止使用偏二甲肼。隨著全世界對環(huán)境保護的日益重視，很可能在不久的將來全世界禁止生產(chǎn)使用偏二甲肼作為火箭推進劑。因為偏二甲肼毒性較大，損害人體的肝臟。尤其是四氧化二氮／偏二甲肼的燃燒產(chǎn)物，對人體損害更大，并較為嚴重地污染環(huán)境。從事使用該種推進劑發(fā)動機試驗的工作人員中60%有不同程度的肝病，普遍轉(zhuǎn)氨酶高。由于組織火箭發(fā)射時,由于N2O4泄漏已引起幾次傷亡事故，后果比較嚴重。

　　長征運載火箭是當(dāng)今世界可*性、技術(shù)穩(wěn)定性最好的運載火箭之一，但是近幾年來，長征火箭發(fā)射時有失利，并造成了不同程度的人員傷亡，其推進劑毒性大和污染嚴重問題已引起了我國各級領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，也增加了參試人員的恐懼感。雖然發(fā)射失利未引起十分嚴重的后果，但參試人員“死里逃生”、“后怕”的感覺仍然十分強烈。這給組織發(fā)射帶來了一定的困難。同時，由于推進劑價格偏高增加發(fā)射成本，進而使得長征火箭在國際發(fā)射市場中價格競爭力不甚明顯，也是一個比較突出的問題。如何提高運載火箭可*性，降低發(fā)射成本，增強競爭力，是加速我國運載火箭產(chǎn)業(yè)化進程的關(guān)鍵所在。

　　要想有先進的運載火箭，首先必須要有先進的動力系統(tǒng)——火箭發(fā)動機。火箭發(fā)動機是運載火箭的心臟，它的先進性突出表現(xiàn)在低成本、無污染、高可*、高性能、使用安全、操作方便。液氧/煤油火箭發(fā)動機作為運載動力裝置的優(yōu)越性在于:一是煤油作為常溫推進劑，使用極為方便，安全性好，而甲烷、丙烷、液氫為低溫推進劑，不好貯存，運輸、加注和操作都不方便，泄漏后易起火爆炸，特別是液氫很容易泄漏。二是煤油價格便宜，每千克煤油的價格只有液氫的1/100和偏二甲肼的1/30，可以較大幅度地降低發(fā)動機的研制成本和運載火箭的發(fā)射費用。發(fā)射一顆20T低軌道的有效載荷，如用液氫/液氧和四氧化二氮/偏二甲肼組成的二級半方案推進劑費需3000萬元，而用全液氧/煤油方案只需推進劑費100萬元。三是液氧/煤油組合密度比沖高，是理想的下面級(助推級和芯一級)發(fā)動機，稍作改進之后亦可作為比較理想的上面級發(fā)動機。四是我國煤油資源豐富，貯量極大，可滿足長遠的需要。

　　我國克拉瑪依油田開采的煤油是低凝點環(huán)烷基中質(zhì)原油，完全符合火箭推進劑用煤油標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已查明貯量在5億噸以上，按每年200萬噸開采量計算，可連續(xù)開采50年以上，同時我國黑虎山、遼河、勝利等油田符合要求的原油貯量也是豐富的。經(jīng)各種研究試驗和兩次液氧/煤油發(fā)動機熱試車的成功，充分說明了國產(chǎn)煤油能完全滿足使用要求。五是使用液氧/煤油發(fā)動機可完全消除四氧化二氮/偏二甲肼有毒且污染環(huán)境的嚴重不足。六是液氧/煤油發(fā)動機可實現(xiàn)運載火箭模塊化積木式設(shè)計，可用不同組合完成不同載荷的發(fā)射任務(wù)，能形成我國新一代運載火箭系列。上述諸優(yōu)點體現(xiàn)了先進動力系統(tǒng)的要求和研制方向。經(jīng)過近10年關(guān)于大型運載火箭和天地往返運輸系統(tǒng)動力系統(tǒng)的技術(shù)論證、研究及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，國家決定研制液氧/煤油高壓補燃發(fā)動機，并已列入“863”計劃。這無疑是提高我國航天技術(shù)水平的重大舉措，更是加速我國運載火箭產(chǎn)業(yè)化進程的英明之舉。