王慧琴，張 靜，段永亮，安良成

（國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏銀川750411）

推進(jìn)劑是航空航天及國(guó)防領(lǐng)域（如戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈）的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。從中國(guó)古代使用的黑火藥火箭直到今天的各類航天飛行器與武器，如航天飛機(jī)、載人飛船、洲際導(dǎo)彈、反導(dǎo)武器、魚(yú)雷、各類衛(wèi)星以及大口徑火炮、無(wú)人飛機(jī)，都離不開(kāi)推進(jìn)劑作動(dòng)力源。

推進(jìn)劑可分為固體推進(jìn)劑和液體推進(jìn)劑，液體推進(jìn)劑是當(dāng)今世界上使用最廣泛、用量最大的推進(jìn)劑[1]。其在航天器的研究、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和使用等各個(gè)階段都占據(jù)重要地位。以液體推進(jìn)劑作為動(dòng)力源的液體火箭具有比沖大、推力可調(diào)、可多次點(diǎn)火啟動(dòng)和推力易控制等優(yōu)點(diǎn)，在宇航領(lǐng)域有著獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)越性。

1 液體推進(jìn)劑分類

液體推進(jìn)劑的分類方式較多，可按組元種類、組元保持液態(tài)的溫度范圍、用途以及組元的化學(xué)反應(yīng)能力等進(jìn)行分類，其中前兩種是比較普遍的分類方法。

根據(jù)組元種類可分為單組元推進(jìn)劑和雙組元推進(jìn)劑兩大類，單組元推進(jìn)劑通過(guò)自身分解或者燃燒進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生工質(zhì)。雙組元推進(jìn)劑由氧化劑和燃料組成，氧化劑通常為液氧和液氟等，燃料通常為液氫、肼類和碳?xì)浠衔锏取６叻謩e貯存于不同的貯箱，并有不同的輸送管路。根據(jù)氧化劑和燃料在直接接觸時(shí)的化學(xué)反應(yīng)能力，可將雙組元推進(jìn)劑進(jìn)一步細(xì)分為自燃和非自燃兩大類。在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用條件下，自燃推進(jìn)劑中的氧化劑和燃料被同時(shí)噴入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室相互接觸后，不需要點(diǎn)火系統(tǒng)，即可立即自燃點(diǎn)火進(jìn)入額定工作狀態(tài)，不僅簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)而且更加安全可靠。

根據(jù)組元保持液態(tài)的溫度范圍，推進(jìn)劑可分為高沸點(diǎn)和低沸點(diǎn)推進(jìn)劑。高沸點(diǎn)推進(jìn)劑的組元沸點(diǎn)要求高于298 K（25℃），在地面使用條件下是液態(tài)，無(wú)蒸發(fā)損失?？稍诿芊赓A箱中貯存較長(zhǎng)時(shí)間。在標(biāo)準(zhǔn)壓力下，沸點(diǎn)低于298 K的推進(jìn)劑為低沸點(diǎn)推進(jìn)劑。

根據(jù)液體推進(jìn)劑的貯存性能，可分為地面可貯存液體推進(jìn)劑、空間可貯存液體推進(jìn)劑和不可貯存液體推進(jìn)劑。

2 液體推進(jìn)劑的發(fā)展歷程

人類最早使用的推進(jìn)劑是固體推進(jìn)劑，直到1900年以后，液體火箭才正式開(kāi)始研究。俄國(guó)的齊奧爾可夫斯基和德國(guó)的阿伯爾等創(chuàng)立了火箭理論，建立了許多火箭構(gòu)造和星際航行的新概念，并提出了近代液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的再生冷卻夾套燃燒室以及用氧、氫、汽油、酒精、柴油等作推進(jìn)劑，他們?yōu)橐后w火箭的最初發(fā)展做出了奠基性的貢獻(xiàn)[2]。從1900年到現(xiàn)在，液體推進(jìn)劑的發(fā)展歷程大致可分為以下 4 個(gè)階段。

2.1 液體推進(jìn)劑的初步研究和應(yīng)用時(shí)期

20世紀(jì)初直到1957年是液體推進(jìn)劑的研究初期。這個(gè)時(shí)期推進(jìn)劑的主要研究成果是中能低溫推進(jìn)劑（即液氧與煤油或酒精）和單元推進(jìn)劑過(guò)氧化氫（括高錳酸鉀催化劑）。該時(shí)期主要液體推進(jìn)劑有氧化劑：液氧和硝酸（白煙和紅煙硝酸）；燃燒劑：甲醇、水合肼、液氨、苯胺–糖醇、煤油、酒精、混胺（混胺–02，MAF–1、3、4）、油肼（JP–X）等；單元推進(jìn)劑：過(guò)氧化氫、硝酸正丙酯和硝酸異丙酯等，液氧與煤油或酒精組合是其中比沖較高的液體推進(jìn)劑，也是前蘇聯(lián)和美國(guó)用于發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星的推進(jìn)劑[3-4]。

2.2 液體推進(jìn)劑的大發(fā)展時(shí)期（1957～1969年）

1957～1969年可以說(shuō)是液體推進(jìn)劑的大發(fā)展時(shí)期。在這期間前蘇聯(lián)先后研制了以紅煙硝酸/偏二甲肼、四氧化二氮/偏二甲肼或混肼作為推進(jìn)劑的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，用作洲際導(dǎo)彈的動(dòng)力裝置。美國(guó)對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行了全面研究，包括可貯推進(jìn)劑（如硝基和氟基氧化劑、肼類燃料和膠體燃料 ）、高能低溫推進(jìn)劑（如液氟、液氫）、單元推進(jìn)劑（如肼、有機(jī)二氟胺基化合物、Otto-Ⅱ）、三元推進(jìn)劑（如液氧-鈹粉-液氫）以及固液推進(jìn)劑（如高氯酸硝酰與肼）。1967年7月16日，美國(guó)成功地發(fā)射了載人登月宇宙飛船。大發(fā)展時(shí)期推進(jìn)劑的主要研究成果有高能低溫推進(jìn)劑液氧與液氫、中能可貯推進(jìn)劑硝基氧化劑與肼類燃料、單元推進(jìn)劑Otto-Ⅱ和肼。研究和應(yīng)用的主要液體推進(jìn)劑包括氧化劑：液氟、二氟化氧、液氧、四氟化肼、過(guò)氯酰氟、五氟化氯、三氟化氯、四氧化二氮、紅煙硝酸和過(guò)氧化氫等；燃燒劑：液氫、二硼氫、五硼氫、肼、甲基肼、偏二甲肼、煤油、酒精和鋁-肼膠體等[2-4]。

2.3 對(duì)現(xiàn)有液體推進(jìn)劑性能改進(jìn)和繼續(xù)研究高能推進(jìn)劑時(shí)期

20 世紀(jì)70年代至80年代，各國(guó)對(duì)推進(jìn)劑的研究重點(diǎn)集中于改進(jìn)已有的液體推進(jìn)劑和繼續(xù)研究高能液體推進(jìn)劑。前者即性能改進(jìn)，比如降低冰點(diǎn)和沖擊敏感，提高沸點(diǎn)、密度、能量、貯存性能和熱穩(wěn)定性，改進(jìn)緩蝕劑、冷卻和燃燒性能等。后者主要從氧化劑和燃燒劑兩方面進(jìn)行研究[2-4]。

2.4 研發(fā)環(huán)境友好的綠色高能推進(jìn)劑時(shí)期

20世紀(jì)80年代以后，對(duì)液體推進(jìn)劑的研究主要集中于綠色高能推進(jìn)劑。目前國(guó)內(nèi)外使用和正在研制的無(wú)毒環(huán)境友好型液體推進(jìn)劑有如下幾類：

（1）過(guò)氧化氫基推進(jìn)劑。過(guò)氧化氫是一種環(huán)境友好的液體推進(jìn)劑，其分

解放出氧氣和水，因此既可用作氧化劑又可用作單組元推進(jìn)劑。過(guò)氧化氫基雙組元液體推進(jìn)劑包括過(guò)氧化氫/醇類、過(guò)氧化氫/疊氮胺類和過(guò)氧化氫/煤油等。過(guò)氧化氫/醇類雙組元液體推進(jìn)劑在國(guó)外的研究以美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心(NAWC)為代表，目標(biāo)是用于“海軍導(dǎo)彈防御系統(tǒng)”(DACS)[5-6]。中國(guó)航天液體推進(jìn)劑研究中心對(duì)過(guò)氧化氫//醇類雙組元推進(jìn)劑進(jìn)行了深入的研究，已找到合適的添加劑和催化劑。研究發(fā)現(xiàn)過(guò)氧化氫/丁醇推進(jìn)劑具有自燃特性，以及點(diǎn)火延滯期短，廉價(jià)、環(huán)保、高能、冰點(diǎn)低（- 58℃）、沸點(diǎn)高（117℃）和穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[6]。疊氮類有機(jī)化合物（如N (N3)3、HN(N3)2、NO2N3、B2H2(N3)4等）是一種帶有疊氮基團(tuán)（-N3）的新型含能材料。引入疊氮基既能提高推進(jìn)劑的能量和燃速，又能降低推進(jìn)劑的火焰溫度，此外疊氮類有機(jī)化合物毒性低，具有優(yōu)良的比沖性能和自燃性能，使用前景廣闊。美國(guó)已成功地完成了過(guò)氧化氫/疊氮胺推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)，并準(zhǔn)備將疊氮推進(jìn)劑用于空中導(dǎo)彈和潔凈助推器[7]。

（2）一氧化二氮雙組元液體推進(jìn)劑，N2O 是一種無(wú)毒、安全綠色推進(jìn)劑，可用于冷氣推進(jìn)、單組元推進(jìn)、固液推進(jìn)和電阻加熱推進(jìn)等推進(jìn)系統(tǒng)模式。N2O 作為雙組元推進(jìn)劑在國(guó)際上應(yīng)用較早，因自燃問(wèn)題未解決，只能采用催化點(diǎn)火或火箭起動(dòng)器點(diǎn)火，故不適用于脈沖方式工作的自控發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)研制了N2O/丙烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（NOP），利用N2O催化分解作為丙烷的點(diǎn)火系統(tǒng)，并建議用N2O/丙烷推進(jìn)劑組合替代目前空間推進(jìn)系統(tǒng)使用的自燃推進(jìn)劑、低溫推進(jìn)劑或固體推進(jìn)劑[5-8]。

（3）硝酸羥胺（HAN）基單組元液體推進(jìn)劑，此類推進(jìn)劑為HAN、燃料（如醇類、硝酸三乙醇胺和甘氨酸等）和水的混合物。具有無(wú)毒、能量高、性能易調(diào)節(jié)、貯存和后勤供應(yīng)方便、冰點(diǎn)低、密度比沖高、常壓下不敏感、貯存安全、和無(wú)著火爆炸危險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)。在NASA的綜合高性能火箭推進(jìn)技術(shù)（IHPRPT）項(xiàng)目支持下，美國(guó)研究的硝酸羥胺/甘氨酸/水體系（水含量 26.0%），已被選用在Spartan Lite衛(wèi)星軌道上升系統(tǒng)上。我國(guó)從上世紀(jì) 90年代末開(kāi)始對(duì)硝酸羥胺基推進(jìn)劑進(jìn)行探索性研究[9]。中國(guó)航天液體推進(jìn)劑研究中心制備了 HAN 基單組元推進(jìn)劑樣品，與中科院大連化物所合作進(jìn)行過(guò)多次發(fā)動(dòng)機(jī)催化點(diǎn)火試驗(yàn)，并對(duì)催化劑進(jìn)行了研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)[5-10]。

（4）二硝酰胺銨（ADN）基單組元推進(jìn)劑。ADN具有較高的吸濕性 ,可將其溶解于水中，再添加適當(dāng)?shù)娜剂蠌亩纬蓡谓M元液體推進(jìn)劑。ADN不含鹵素，具有能量密度高、高溫穩(wěn)定性好和毒性小等優(yōu)點(diǎn)。此外燃燒時(shí)不產(chǎn)生煙，能大幅提高推進(jìn)劑的能量，降低特征信號(hào)和減少環(huán)境污染，特別適用于低污染的航天飛機(jī)助推系統(tǒng)和空間運(yùn)輸動(dòng)力系統(tǒng)。ADN最早由前蘇聯(lián)成功合成，但是很快引起了西方各國(guó)的興趣，并進(jìn)行研究。瑞典研究的代號(hào)為 LM P-101的ADN基單組元液體推進(jìn)劑由61%（質(zhì)量分量，下同）ADN、26%水和13% 丙三醇組成。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)表明這種推進(jìn)劑具有點(diǎn)火快、能量高、無(wú)毒、燃燒完全且排氣清潔、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[11]。在ADN、水和燃料組成的三元混合物中，可選的燃料很多。燃料不同，ADN在水和燃料混合物中的溶解度不同，因此必須研究每種燃料在給定溫度下對(duì) ADN 溶解度的影響，進(jìn)行推進(jìn)劑配方試驗(yàn)研究，測(cè)試特性，研究點(diǎn)火和燃燒性能[5]。

（5）硝仿肼（HNF）基推進(jìn)劑。與HAN和ADN基推進(jìn)劑相比，HNF 作為純氧化劑比沖最大，且制備方法比ADN簡(jiǎn)單，不吸濕，有較高的密度和熔點(diǎn)[12]。

（6）液氧/烴類無(wú)毒推進(jìn)劑。烴類推進(jìn)劑具有來(lái)源廣泛、成本低廉、組合密度高、比沖性能高、無(wú)毒安全環(huán)保和耐儲(chǔ)存性能好等優(yōu)點(diǎn)。液氧/烴類推進(jìn)劑主要包括液氧/煤油、液氧/甲烷、液氧/丙烷、液氧/液態(tài)甲烷和液氫等[13]。美國(guó)的宇宙神-5( Atlas-5)、德?tīng)査?2(Delta-2)、獵鷹-9( Falcon-9)、安塔瑞斯(Antares)和俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)(Soyuz) 、安加拉( Angara) 等系列運(yùn)載火箭的芯級(jí)和助推級(jí)動(dòng)力都采用了液氧/烴推進(jìn)劑組合[13-16]。液氧/煤油推進(jìn)劑是使用較為廣泛的一類烴類推進(jìn)劑。迄今為止，蘇聯(lián)和美國(guó)已成功研制了諸如土星-5運(yùn)載火箭的F-1燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和N–1運(yùn)載火箭的NK–33補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)等多種具有歷史意義的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，其中RD–170高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在一定程度上可稱為液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平的標(biāo)桿[13-14]。中國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭基于120噸級(jí)推力的YF–100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和50噸級(jí)推力的YF–77液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制，長(zhǎng)征五號(hào)作為中國(guó)運(yùn)載火箭更新?lián)Q代、追趕國(guó)際先進(jìn)水平的關(guān)鍵一步，在主要性能指標(biāo)上已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)國(guó)際主流大型運(yùn)載火箭的水平[17]。

3 結(jié)論與展望

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展以及我國(guó)新一代運(yùn)載火箭陸續(xù)投入使用，研發(fā)環(huán)境友好無(wú)毒無(wú)污染推進(jìn)劑成為液體推進(jìn)劑的發(fā)展趨勢(shì)。液氧/烴類無(wú)毒推進(jìn)劑是未來(lái)高性能低成本航天運(yùn)輸系統(tǒng)推進(jìn)劑組合的發(fā)展趨勢(shì)，其中高性能液氧煤油推進(jìn)劑因具有密度高、常溫可貯存、來(lái)源廣泛、綠色低毒和安全等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用前景。因而航天煤油需求量逐年增加，鑒于我國(guó)“多煤、少油、缺氣”的能源特征，克拉瑪依油田是我國(guó)航天煤油的唯一來(lái)源，一旦油井及貯運(yùn)遭到破壞，存在無(wú)油可用風(fēng)險(xiǎn)。此外，克拉瑪依油田地處西部邊陲，與俄羅斯境內(nèi)油田同處一個(gè)成油帶，資源枯竭的風(fēng)險(xiǎn)也較高。為了保障液體燃料的可持續(xù)供應(yīng)以及多渠道供應(yīng)，開(kāi)發(fā)新的航天液體燃料勢(shì)在必行。