火箭推进剂加注：看似简单背后大有学问

2023-04-12 12:13:44 来源：科普中国

近日，美国火神运载火箭先后进行了芯一级和半人马V上面级的贮箱低温加注测试，为该火箭计划在今年5月实施首次发射铺平了道路。众所周知，虽然火箭加注只是向空贮箱里加满液体燃料，看起来也非常简单，但实际上大有学问，是液体火箭研制试验和发射准备中至关重要的一步。那么，火箭推进剂加注有哪些特点呢？

火神运载火箭贮箱低温加注测试（照片来自美国联合发射联盟公司）

(资料图片)

液体火箭的“血液”

就像汽车需要烧油才能风驰电掣地奔驰一样，火箭也需要燃料才能飞向太空。液体运载火箭使用的液体推进剂和汽车使用的汽油、柴油作用相近，液体推进剂在火箭发动机的燃烧室中快速燃烧，生成大量高温高压的燃气，推动火箭发射升空。毫不夸张地说，火箭推进剂是液体运载火箭的“血液”。

汽车发动机在大气层内工作，使用汽油、柴油等燃料与大气中的氧气进行燃烧反应。然而，运载火箭大部分飞行时间处在大气层外，没有天然的氧气可以利用，推进剂不是自身能分解燃烧，就是使用氧化剂燃烧。

液体推进剂根据成分可分为单组元、双组元和多组元等类型。单组元推进剂的代表是过氧化氢和肼等化合物，它们都能分解放热生成高温气体；双组元一般是燃料和氧化剂的组合，常见的有偏二甲肼和四氧化二氮、液氧煤油、液氧甲烷和液氧液氢等；多组元推进剂较少见，例如苏联研制的RD-701发动机，起飞时使用液氧、煤油和液氢3种成分，就是典型的三组元发动机。

如今，运载火箭一般都使用双组元推进剂，而其中无论是偏二甲肼和四氧化二氮，还是液氧和液氢都不算稳定，前两者有毒，腐蚀性强；后两者容易挥发，不易存放。

考虑到液体推进剂易燃易爆和容易挥发泄漏等特点，液体火箭一般不会带着推进剂进行运输，火箭出厂时贮箱是空的，运输全程也是如此，直到发射前才会向贮箱里加注推进剂，是液体运载火箭发射流程中必不可少和最重要的环节之一。

加注复杂、难度高

给火箭加注推进剂具有很高的难度。以偏二甲肼和四氧化二氮常规组合为例。它们在常温下可以长期贮存，具有性能稳定和处理方便等优点，但偏二甲肼易挥发，易被人体皮肤吸收，不仅是致癌物，还有剧毒，对人体危害极大，四氧化二氮也有毒和拥有很强的腐蚀性。

常规推进剂有毒，而液氧和液氢等推进剂的温度又非常低，液氧温度低至零下180摄氏度，甲烷温度为零下182.5摄氏度，液氢更是低至零下250摄氏度。

空气在超低温下会固化，常见的金属也会变脆，容易出现多余固体物质阻塞火箭的气液管路。超低温的推进剂直接加注到常温的火箭贮箱中，两者温差达到200多摄氏度，堪比冰水泼到烧得发红的铁板上，会快速汽化生成大量蒸汽，导致贮箱内部压力过高，从而使火箭发射面临风险。液氢又极易挥发和泄漏，少量氢气就能和空气形成易燃易爆的混合物，这都为火箭推进剂加注带来了很大挑战。

常规火箭燃料的加注难度主要在于防止剧毒推进剂泄漏带来的环境污染和人身伤害。肼类和四氧化二氮都有毒，还容易挥发泄漏，加注人员需要佩戴工业防毒面具和防护手套，穿上专用工作服，保护呼吸器官和皮肤。

低温推进剂的温度极低又极易汽化，加注系统不仅要适应超低温的苛刻工况，采取相应的隔热、绝热措施，还要及时排放蒸发的气体来防止贮箱超压。

低温推进剂加注时，为减少挥发泄漏的影响，一般是直到发射日才开始加注，而且通常是先小流量对管路和贮箱进行预冷，再大流量进行贮箱加注，最后还要持续补加到火箭发射前数分钟或发射时再断开管路。

不管是常规推进剂加注还是低温推进剂加注，都是具有高度危险性的操作。

不断改进加注技术

随着航天技术的发展，液氧煤油、液氧甲烷和液氧液氢等低温推进剂占据了舞台中央，而常规的肼类燃料正在逐渐退出历史舞台。同时，推进剂的加注技术也在不断发展，其中，加注过程自动化是最重要的发展趋势。

无论是常规有毒的肼类推进剂，还是低温的氢氧甲烷等推进剂，都有容易挥发泄漏和易燃易爆的问题，而传统加注方式需要操作人员冒着生命危险完成加注管路的对接和进行加注及完成火箭人工解锁，直到发射前15分钟左右才撤离发射塔架。加注人员作为最后撤离火箭发射塔架的人，工作的危险性很高，被称为“刀尖上的舞者”。

为减少火箭发射前的操作，提高加注过程的可靠性和加注人员的安全性，国内外科研人员都积极开展火箭加注过程自动化研究。通过对加注管路自动对接与脱离的充分研究和分析，研制高度自动化的集成式对接脱落连接器，结合减少连接器数量、简化电气接口等对箭体和加注系统的综合改进，基本实现了全程无人值守的自动加注发射能力。

无人值守的自动加注能力不仅提高了加注人员操作的安全性，也提高了加注工作的便利性和灵活性。通过自动加注简化发射准备工作，能将发射准备时间降低到1天之内，对于保证火箭发射窗口具有重要意义。对于重复使用的运载火箭来说，缩短发射流程有利于提高火箭的周转效率。

自动加注技术实现后，还出现了深度过冷加注技术。以美国猎鹰9火箭为例，它使用了预冷煤油和过冷液氧，通过将煤油和液氧降低到更低的温度，提高煤油和液氧的密度，大幅度提高了推进剂加注的质量，火箭运载能力也因此提高10%以上。

全过冷加注技术需要尽可能快地提高加注速度，因而取消了先小流量加注的步骤，对管路和贮箱预冷后直接进行大流量加注，简化了加注流程并缩短了加注时间。

另外，随着航天技术的进一步发展，推进剂在轨加注也逐渐提上日程，自动加注和深冷加注等技术的出现，也为航天器低温推进剂的在轨加注奠定了基础。（作者：张雪松）

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