液体推进剂解读

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1、液体推进剂 1 分类 2 液体推进剂的要求 3 液体推进剂的组元种类 1 分类 液体推进剂既是液体火箭发动机的能源，又是工质源，因此 它是影响发动机性能和结构的重要因素之一。 液体推进剂的分类方法较多，例如按用途分类可分为主推进 剂、启动推进剂和辅助推进剂；按推进剂组元分类可分为单 组元、双组元和多组元推进剂；按组元直接接触时的化学反 应能力分类可分为自燃推进剂和非自燃推进剂；按推进剂组 元保持液态的温度范围分类可分为高沸点推进剂和低沸点推 进剂；按长期条件下推进剂物理、化学稳定性分类可分为长 期贮存推进剂、短期贮存推进剂或分为地面可贮存、空间可 贮存和不可贮存推进剂等。 目前，比较普遍采用的

2、分类方法有： 1.1 按液体推进剂的组元分类 可分为单组元、双组元和多组元液体推进剂。 （1）单组元液体推进剂 它是通过自身分解或燃烧进行能量转换并产生工质。 单组元液体推进剂一般分为三类：其一是在分子中同时含 有可燃性元素和燃烧所需要的氧化物，如硝基甲烷、硝酸 甲酯等；其二是在常温下互不产生化学反应的稳定混合物 ，如过氧化氢甲醇等；其三是在分解时能放出大量热量 和气态产物的吸热化合物，如肼等。 单组元液体推进剂能量偏低，一般只用在燃气发生器或航 天器的小推力姿态控制发动机上。其推进系统结构简单、 使用方便。 （2）双组元液体推进剂 它是由液体氧化剂和液体燃料两种组元组成，通常以液氧 、液氟为

3、氧化剂，以液氢、肼类、碳氢化合物为燃料。氧 化剂和燃料分别贮存于各自的贮箱，并有各自的输送管路 。 根据氧化剂和燃料在直接接触时的化学反应能力，可将双 组元推进剂区分为非自燃推进剂和自燃推进剂。 自燃推进剂的两个组元，在其使用温度和压力范围内，以 液态相接触时，就发生放热的化学反应，即进行着火和燃 烧。 非自燃推进剂，必需靠专门的点火，才能进行放热的化学 反应，即燃烧。 （3）多组元液体推进剂 它是由多于两组元组成的液体推进剂，例如三组元推进剂 。使用三组元推进剂的发动机，在下面级工作时，以氧作 氧化剂，煤油为燃料，并加入少量液氢燃料，组成三组元 。在上面级工作时，仍选用氧为氧化剂，而以液氢为

4、燃料 ，则成为双组元推进剂。 当前正在研究在液体推进剂组元中加入轻金属（锂、铍及 锂、铍的氢化物），以提高推进剂的能量。 1.2按推进剂或组元保持液态的温度范围区分 可分为高沸点和低沸点推进剂。 高沸点推进剂的组元的沸点高于298K(25)，在地面使用 条件下是液态，无蒸发损失。在密封贮箱的条件下，可贮 存较长时间。 在标准压力下，低沸点推进剂的组元的沸点低于298K。 在低沸点组元中，还可区分出低温推进剂组元，其沸点低 于120K(153)，必须采用特殊的方法贮存，以减少蒸 发损失。 1.3 按液体推进剂的贮存性能分类 根据贮存性能分类有地面可贮存液体推进剂、空间可贮存液 体推进剂和不可贮存

5、液体推进剂（如低温推进剂、化学不稳 定推进剂）。 （1）所谓地面可贮存液体推进剂，即在地面环境下能在火箭 贮箱内长期贮存，不需要外加能源对推进剂加温熔化或冷却 液化。一般规定以下几项要求： 临界温度应不低于地面环境的最高温度，常规定不低于 323K（也有的规定不低于343K）； 在323K时，蒸气压不应大于2MPa（也有的规定343K时， 不应大于3MPa ）； 在贮存期内，液体推进剂本身不应分解变质、产生沉淀或 放出气体，常规定在323K时，年分解速率不大于1； 对与液体推进剂相接触的部件不产生腐蚀，常规定年腐蚀 速率不大于0.05mm。 （2）空间可贮存液体推进剂 空间可贮存液体推进剂是指

6、那些在地面环境下不可贮存的 或难以贮存的，但在空间环境下可以贮存的液体推进剂。 对这类推进剂的沸点要求应低于空间的环境温度，但要高 于200K。 （3）不可贮存液体推进剂 所谓不可贮存液体推进剂，如低温推进剂在环境温度下是 气态，其沸点低于200K，临界温度低于223K，只有在低 温下才能保持液态。 它的优点是能量高，但是使用不方便，必须保持低温环境 。 2 液体推进剂的要求 通常液体推进剂应当满足下列几点基本要求： （1）高的能量特性 即要求推进剂有高的比冲和密度。这两个量的数值越高， 在其它条件相同时，火箭的尺寸和质量越小。 （2）安全的使用性能 即要求燃料在空气中不会自燃，有好的热安定性

7、，以免在 贮运过程中发生火灾或爆炸。 对大型运载火箭的下面级用的液体推进剂，要求低毒性， 最好无毒，以免对试验站和发射场周围地区造成严重污染 。 （3）点火燃烧性能好 要求自燃推进剂的着火延迟期和非自燃推进剂的点火延迟 期小于30ms，以减少发动机起动时推力室中的推进剂组元 的积存量，从而防止了起动时压力过高或爆炸。另外希望 推进剂组元的蒸汽压力大一些，粘度低一些，以易于在推 力室中雾化和混合，从而有较高的燃烧效率。 （4）经济性好 即要求生产推进剂组元的原料资源丰富，生产成本低。 另外，还希望双组元推进剂中的一个组元有较好的传热性 能，即导热率高、比热高和分解温度低，以利于对推力室 壁进行外

8、冷却。 3 液体推进剂的组元种类 作为液体推进剂的燃料组元有氢、肼及其衍生物、胺类、 烃类、醇类及混肼、混胺、胺肼、油肼系列。 表1列出了液体推进剂燃料组元的种类。 类或系举例 氢类液氢（H2） 醇类甲醇（CH3OH）、乙醇（C2H5OH）、异丙醇（C3H7OH）、糠醇（C5H5OH） 肼类肼（N2H4）、一甲基肼代号MMH（CH3N2H3）、偏二甲基肼代号UDMH（CH3）2N2H2 胺类氨（NH3）、乙撑二胺C2H4(NH2)2、二乙撑三胺H(C2H4NH)2NH2、三乙胺(C2H5)3N 苯胺类苯胺（C6H5NH2）、二甲基苯胺(CH3)2C6H3NH2 烃类煤油、甲烷（CH4）、乙烷（

9、C2H6）、丙烷（C3H8） 混肼系混肼（肼50偏二甲基肼50）、混肼（偏二甲基肼50一甲基肼50） 混胺系混胺（二甲苯胺50三乙胺50） 胺肼系胺肼（偏二甲基肼10二乙撑三胺90）、胺肼（偏二甲基肼60二乙撑三胺40） 油肼系油肼（煤油60偏二甲基肼40） 表1液体推进剂燃料组元的种类 作为液体推进剂的氧化剂组元有液氧、硝基类、过氧化氢 、氟类及硝酸与四氧化二氮的混合系列、四氧化二氮与一 氧化氮混合系列等。表2列出了氧化剂组元的种类。 类或系举例 液氧液氧（O2） 过氧化氢过氧化氢（H2O2） 氟类液氟（F2）、三氟化氯（ClF3）、五氟化氯（ClF5） 硝基类硝酸（HNO3）、四氧化二氮（

10、N2O4） 硝基系 硝酸15（HNO385NO215）、硝酸20（HNO380NO220）、 硝酸27（HNO373NO227）、硝酸40（HNO360NO240 ） 混氮系MON10（N2O490NO10）、MON30（N2O470NO30） 表2 液体推进剂氧化剂组元的种类 4 氧化剂 液体氧化剂中的氧化元素可以是氧、氯或氟。氟和氧都是强 氧化元素，所以液氧和液氟都是强氧化剂。其它的氧化剂有 硝酸（HNO3）、过氧化氢(H2O2)和四氧化二氮（N2O4）等， 这些都是含有氧化元素的化合物。 （1）液氧 液氧含有100的氧元素，氧化力强。液氧与许多燃料组合的 推进剂，都有较高的比冲。其生产成

11、本低、无毒、无腐蚀性 ，密度也较高、但它的沸点低(183)，不宜长期贮存、为 减少蒸发损失，贮存容器要很好的隔热。 （2）液氟 液氟与很多燃料组合的推进剂有很高的比冲，密度也比液氧 高、其沸点比液氧低，为188，有腐蚀性，毒性很大，贮 存与运输都不安全，生产成本也高，目前尚未实际使用。 （3）硝酸 硝酸(HN03)是较强的氧化剂，在火箭发动中使用的是红色发 烟硝酸，其中溶有520的N2O4。 HN03有强腐蚀性，只有不锈钢和黄金可耐HN03的腐蚀，加入 少量的氟化氢可降低其腐蚀性。 HN03与胺类或糠醇等燃料混合可以自燃。 HN03的密度也较高，冰点较低。沸点较高，容易贮存。 (4)过氧化氢

12、过氧化氧(H2O2)溶液俗称“双氧水”，一般指含3浓度的水溶 液，为民用的氧化剂，如用于医疗中的消毒以及丝或毛织品 的漂白等。 火箭发动机中使用的H2O2，浓度为7090，无毒性，性能 较稳定。 H2O2与普通金属接触会分解，与纯铝、纯锡、聚四氟乙烯等 材料接触时不会分解。 H2O2与铂、二氧化锰、高锰酸钾等催化剂接触时，引起剧烈 分解，放出大量氧气和过热水蒸气。 一般可将H2O2作为单组元推进剂使用，不过其比冲很低，只 有1500m/s，常用它的分解产物作为驱动涡轮泵中的涡轮的 工质。 H2O2也可以与煤油组合成推进剂使用，1958年9月北京航空航 天大学发射的探空火箭中的液体火箭发动机就采

13、用了这种推 进剂。 (5)四氧化二氮 四氧化二氮(N2O4)是种较强的氧化剂，密度也很高，是 可贮存的氧化剂，其液体温度范围较窄(沸点为21.15、 冰点为11.23)，既容易蒸发，也容易冻结。 纯N2O4有中等程度的腐蚀性，又很容易从空气中吸收水蒸 气，要用密闭容器贮存。 N2O4可与胺类或肼类燃料组合为自燃推进剂。 5 液体燃料 (1)煤油 有一种特别适合作为液体火箭发动机燃料的特殊精炼的石 油产品，美国的牌号为BPl，基本上是煤油类的饱和与 不饱和碳氢化台物的混合物。它与液氧组合的推进剂，能 量高，化学安定性好，毒性很小，容易贮运。美国已将这 种推进剂用在阿特拉斯、雷神、丘辟特、大力神1

14、和土星 等运载火箭的发动机中，前苏联也已将它用在能源号和东 方号等运载火箭的发动机中。 煤油的缺点是密度较低(0.80103kg/m3)。 (2)液氢 在目前投入实际使用的大量推进剂中，以液氢和液氧组合 的推进剂的能量最高，而且其燃烧温度比液氧与煤油组合 的推进剂的燃烧温度低800多度。 液氢的缺点是密度低(69.5kg/m3)，沸点很低(252.8)， 不宜长期贮存，为减少蒸发损失，贮存容器要很好的隔热 。 氢气与空气混合时，会发生爆炸，为防止这种危险，经常 将泄漏出的氢气点火烧掉。 在贮运和使用液氢的环境中，要防止静电，以免发生火灾 或爆炸。 与液氢接触的很多金属材料在液氢的极低温度下，强

15、度剧 烈下降。只有不锈钢和铝合金强度下降很少。 液氧与液氢组合的推进剂目前已被广泛用在大型运载火箭 的上面级的发动机中，美国土星5及土星1B运载火箭的第 二级发动机和航天飞机主发动机，前苏联能源号运载火箭 的第二级发动机，我国长征3号运载火箭的第三级发动机 用的都是这种推进剂。 (3)肼 肼(N2H4)、甲基肼(CH3NHNH2)和偏二甲肼(CH3)2NNH2 具有类似的物理和化学性质。肼的冰点高(274.3K)，易溶于水 、乙醇中，有毒性。 肼与硝酸或四氧化二氮接触能自燃，能组合成自燃推进剂。 肼也可以作为单组元推进剂，在适当的固体或液体催化剂作 用下分解出的产物可作为姿态控制发动机中的工质或作为驱 动祸轮的工质。 与肼相容的金属相料有不锈钢、铁、青铜和黄铜等。 (4)偏二甲肼 偏二甲肼的英文缩写为UDMH，也有毒性。 与肼相比，其冰点低(215.9K)、沸点高(336.5K)、与氧化 剂燃烧时，比冲只比纯肼稍低。 UDMH经常与纯肼混合使用，一般各取50，称为混肼一 50。 混肼50与四氧化二氮组合的推进剂曾用在美国的大力神 2运载火箭的发动机中，并用在月球着陆和反推力的发动 机中。 (5)甲基肼