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火箭與導(dǎo)彈有異曲同工之妙，都是一種燃?xì)馔七M(jìn)裝置，只不過搭載的東西不一樣。與汽車類似，讓火箭高速運(yùn)動的動力由火箭發(fā)動機(jī)提供，其依靠推進(jìn)劑或者燃料燃燒后從火箭尾部高速噴出產(chǎn)生的反作用力推動火箭高速運(yùn)動，使其最大速度達(dá)到第一宇宙速度，最終克服地球引力飛入太空。
火箭按照用途可分為運(yùn)載火箭和探空火箭，發(fā)射衛(wèi)星用的就是運(yùn)載火箭，并且通常是多級運(yùn)載火箭，各級之間通過串并聯(lián)進(jìn)行聯(lián)接。目前的火箭使用的是化學(xué)能，按照使用燃料類型的不同，可分為固體燃料火箭和液體燃料火箭。對于多級火箭，也可在火箭不同級上分別使用固體燃料火箭發(fā)動機(jī)和液體燃料火箭發(fā)動機(jī)。 固體燃料能夠長時(shí)間存儲，并且推力大，航天飛機(jī)曾經(jīng)使用過的固體燃料火箭發(fā)動機(jī)是這類型中推力最大的。不過，固體燃料在點(diǎn)燃后很難在燃料耗盡前停車，存在安全風(fēng)險(xiǎn)，而液體燃料可以在必要時(shí)切斷推進(jìn)劑供應(yīng)來緊急停車，安全系數(shù)更高，更適合載人航天。
液體推進(jìn)劑按其作用分為氧化劑和燃燒劑兩類，這兩種物質(zhì)需要分開貯存，在火箭啟飛時(shí)再用輸送系統(tǒng)輸送到火箭發(fā)動機(jī)的燃燒室。 目前液體火箭發(fā)動機(jī)使用的燃料主要是液氧煤油、液氧液氫等類型，像那種有毒且污染嚴(yán)重的燃料已被逐漸淘汰。比如，美國在上世紀(jì)為阿波羅載人登月計(jì)劃研制的土星5號運(yùn)載火箭，這是人類歷史上最強(qiáng)大的火箭之一，其一級使用的是液氧煤油，二級和三級使用的則是液氧液氫。
火箭發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率通常用比沖來衡量，其可以簡單理解為：每一千克燃料產(chǎn)生一千克推力的持續(xù)時(shí)間，單位為秒。比沖值越大，說明發(fā)動機(jī)或者燃料的推進(jìn)效率越高。
液氧液氫是一種 液氧煤油則是一種高性價(jià)比的火箭推進(jìn)劑，不過它的比沖與液氧液氫相比還是要差上許多。 不過人類并不滿足于此，馬斯克的太空探索技術(shù)公司SpaceX在獵鷹九號火箭上使用的梅林火箭發(fā)動機(jī)用的就是液氧煤油燃料，而其為“星艦”研發(fā)的猛禽發(fā)動機(jī)用的則是甲烷燃料。SpaceX的競爭對手，貝佐斯的藍(lán)色起源研發(fā)的BE-4也是一款甲烷火箭發(fā)動機(jī)。我國的民營航天公司藍(lán)箭航天此前研制的世界第一枚甲烷火箭“朱雀2號”雖然首飛失利，未能進(jìn)入預(yù)定軌道，但離成功也不遠(yuǎn)了。
為什么大家都在爭先研究甲烷火箭呢？采用液氧甲烷燃料的火箭有什么優(yōu)點(diǎn)？ 1，液氧甲烷的比沖雖然沒有液氧液氫強(qiáng)，但卻比液氧煤油略高一點(diǎn)。 2，煤油燃燒時(shí)容易產(chǎn)生積碳結(jié)焦，而甲烷就不會，如果采用甲烷，會提高火箭回收再利用的效率，省了清理工作。 3，采用甲烷燃料的火箭發(fā)動機(jī)與氫氧火箭發(fā)動機(jī)相比，前者發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)難度更低，基本上可以沿用液氧煤油那一套成熟的發(fā)動機(jī)體系，不用過多地改動。 4，液態(tài)甲烷的沸點(diǎn)遠(yuǎn)高于氫，與液態(tài)氧氣的沸點(diǎn)比較接近，保存難度更低。并且液態(tài)甲烷的密度也比液態(tài)氫大，能夠在有限的空間內(nèi)存儲更多的燃料。 5，煤油分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在別的星球上非常不容易找到，但甲烷在別的星球上卻很容易找到或者合成，比如土衛(wèi)六上就有液態(tài)甲烷形成的湖泊。同時(shí)它的制備難度也比較低，天然氣直接提純液化就行了。
總之，綜合各種優(yōu)缺點(diǎn)和性價(jià)比來說，液氧甲烷是介于液氧煤油與液氧液氫這兩種燃料之間最完美的選擇。 就是因?yàn)榭吹搅似渲T多優(yōu)點(diǎn)，所以目前中國和美國等航天強(qiáng)國都在研發(fā)甲烷火箭?；鸺闹貜?fù)利用能夠大大降低發(fā)射成本。采用液氧甲烷推進(jìn)劑的火箭發(fā)動機(jī)的性能雖然并不比液氧煤油強(qiáng)多少，但在火箭的回收再利用方面，用它是更好的選擇。 關(guān)注我，帶你長知識。 |
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