助力火箭，推動夢想
——神秘的助推劑

吳亞男，冉學(xué)成，高娟娟，趙雯，王俊科，宗盈曉,＊，陳建成

1河西學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 張掖 734000

2甘肅省河西走廊特色資源利用重點實驗室，甘肅 張掖 734000

3南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南京 210023

在古老的絲綢之路上，位于祁連山腳下的河西走廊，生存著朱雀家族，他們以飛天神女為家族的守護神，把“飛天”作為家族的使命。他們的家族在宋朝就把裝有火藥的筒綁在箭桿上，利用火藥燃燒向后噴火使箭飛得更遠。

到了20世紀，火箭已經(jīng)成為飛向太空的飛行器，還可以運載氣象衛(wèi)星、航天飛船，成為人類探索太空的重要工具。火箭能升空，主要是助推劑的作用，助推劑主要的成分是燃料和氧化劑，還包含一些穩(wěn)定劑、增塑劑，在發(fā)射火箭的時候，點燃助推劑，燃燒產(chǎn)生的大量高壓燃氣從發(fā)動機噴管高速噴出，所產(chǎn)生的反作用力，使火箭騰空而起，飛出地球[1]。

朱雀家族成立了藍箭基地(LANDSPACE)，對火箭助推劑進行研究，目前的任務(wù)就是要找到更環(huán)保、更經(jīng)濟、更安全的助推劑。2023年7月12日，藍箭基地的“朱雀二號遙二運載火箭”在酒泉成功發(fā)射。就在這一天，懷揣夢想的小朱雀帶著激動的心情來到了基地，講解員是志愿者張航，他是朱雀大學(xué)航天燃料專業(yè)的大三學(xué)生，今天他的任務(wù)不但是要給小朱雀普及火箭助推劑的知識，更重要的是激起他們對科學(xué)的向往和探索的興趣。

1 汽油液氧第一飛

一進基地，在第一張展板前，看到了世界第一枚火箭的字樣，張航為大家講解道：“世界上第一枚火箭是由美國科學(xué)家羅伯特·戈達德在馬薩諸塞州的奧本發(fā)射升空的，飛行延續(xù)了約2.5 s，最大高度為12.5 m，飛行距離為56 m。”話音未落，小朱雀就疑問連連：

“只有12 m高？”

“飛行了56 m遠？”

“時間好短呀！”

張航聽見小朱雀的議論笑著說：“這枚火箭采用的是汽油和液氧作為助推劑，燃燒的方程式如圖1所示，需要安裝打火裝置，發(fā)動機的性能和攜帶的燃料都不是很充分。戈達德一生熱愛火箭技術(shù)，他設(shè)計的小推力火箭最高升空約2 km，獲得了214項專利，也是他計算出火箭必須具有每秒7.9 km的速度才能克服地球引力[2]。”小朱雀有點不好意思，停止了議論，臉上顯出崇拜的表情。

這時，有一個小朱雀小聲說：“可是，2 km也還是不高啊，連月亮都到不了……，能不能多帶些汽油？”

張航給了他一個鼓勵的眼神，告訴他們：“汽油很容易揮發(fā)，用來做火箭燃料是不安全的，所以后來的火箭都不用汽油了。煤油不容易揮發(fā)，是可以做火箭燃料的。”

2 液氧煤油有實力

說著就來到了俄羅斯質(zhì)子號系列火箭的展示區(qū)，張航指著第二張展板告訴大家，俄羅斯的航天技術(shù)力量很雄厚，質(zhì)子號火箭有很多型號，其中，BlockDM采用煤油和液氧作助推劑，煤油沸點高，不容易揮發(fā)，運輸很方便，反應(yīng)按照圖2的方程式進行，反應(yīng)產(chǎn)生的推力比汽油釋放的推力大，而且，煤油價格適中，每噸的價格在6000元左右。

圖2 煤油與液氧的燃燒反應(yīng)方程式

這時候，好學(xué)的小朱雀又提問道：“空氣中就有氧氣，為什么要用液氧？”

這一次張航?jīng)]有急著回答，而是反問他們：“你們剛才不是說，要讓火箭多帶一些助推劑，要飛得更高更遠嗎？”小朱雀恍然大悟，將空氣液化分離得到的液氧如果裝入氧貯箱內(nèi)，同樣體積的容器可以容納更多的液氧。這時，張航又告訴他們：“燃料和氧化劑都是液體，方便儲存，而且也有利于釋放，只要在容器上安裝開關(guān)，就能以氣體形式釋放，還可以控制釋放的量和速度，然后利用點火裝置點燃。”

小朱雀都點著頭，這時旁邊有一位朱雀叔叔參觀者向張航提問：“以前用煤油燈的時候，煤油燃燒會有黑煙放出來，這會不會影響火箭？”

這句話引起了一個小朱雀的興趣，指著第一張和第二張展板前面兩個展板上的方程式說：“煤油燃燒產(chǎn)生的都是氣體，并沒有黑色的物質(zhì)，那是什么？”

另外一個小朱雀不等張航回答，就躍躍欲試地說：“那是碳，是不完全燃燒的產(chǎn)物！”

張航贊同地說道：“是的，就是碳！煤油液氧助推劑有很多優(yōu)點，推力也很大，我國的‘長征五號運載火箭’就是使用這種助推劑成功進行了‘嫦娥計劃探月工程’，但是這種助推劑會造成發(fā)動機和管道積碳，不利于發(fā)動機的重復(fù)使用[3]。”

小朱雀擔憂了，他們知道這樣會增加火箭的運行成本。張航覺得今天的小朱雀們太可愛了，是愛科學(xué)的好寶寶，他趕快指著另一邊的第三張展板說：“科學(xué)家們已經(jīng)找到了更加清潔的燃料了。”

3 氫氧結(jié)合變綠能

小朱雀迅速集中到第三張展板前這個展區(qū)，這里展示的是長征五號運載火箭，使用的助推劑就是液氧和液氫，張航耐心地給大家介紹：“大家看圖3這個方程式，液氫燃燒后的最終產(chǎn)物只有水蒸氣，沒有污染，液氫的密度是70.85 kg?m-3，要比一般液體燃料(汽油)輕40%左右，但是它的熱值很高，是汽油的3倍。產(chǎn)生的推力很大[4]。”

圖3 液氫與液氧的燃燒反應(yīng)方程式

小朱雀也很高興，這樣不僅解決了發(fā)動機的清潔問題，而且還可以讓火箭攜帶更多的燃料。可是沒高興多大一會兒，張航就拋出了一個問題：“你們知道氫氣是怎么得來的嗎？”小朱雀們迅速回憶化學(xué)課上所學(xué)的知識，有的說水煤氣法，有的說電解水，有的說電解食鹽水，張航以電解水制氫氣為例告訴大家，這種方法消耗的電能很大，而且很容易跟氧氣混合，得到的氫氣不純。目前，作為火箭燃料的液氫大部分是通過將煉油廠和化肥廠的馳放氣分離，然后將分離的氫氣壓縮得到，成本高，而且，液氫是低溫液體，常溫會沸騰；會使儲存液氫的金屬罐發(fā)生“氫脆”，還會發(fā)生爆燃；液氧也是低溫液體，這些都為液氫液氧助推劑的儲存和灌裝帶來了很大的困難[5]。

4 偏二甲肼占市場

這時，張航領(lǐng)大家來到一個很大的展板，這里出現(xiàn)的火箭有“阿里安”運載火箭、“長征二號”“泰坦火箭”，看著這些名字，小朱雀興奮了起來，這可是把航天員送入太空的火箭啊！大家都想知道，它們的助推劑是什么。張航指著圖4展示的化學(xué)方程式告訴大家，這一種助推劑中的燃料叫做偏二甲肼，氧化劑是四氧化二氮。

圖4 偏二甲肼和四氧化二氮的燃燒反應(yīng)方程式

這時張航神秘地問大家：“你們看看圖4這個方程式和前面的有什么不同？”

小朱雀們熱烈討論，還有的跑到前面的展臺去做對比，終于，有一個小朱雀說：“這個反應(yīng)的條件不需要點火！”

張航說：“是的，用偏二甲肼做燃料，只需要加入四氧化二氮，不需要在發(fā)動機上加裝打火器就能實現(xiàn)燃燒，產(chǎn)物的氣體量大，在燃燒的高溫下，能產(chǎn)生巨大的推力，而且不會造成發(fā)動機和管道污染。”

小朱雀們已經(jīng)熟悉張航的套路，不再盲目高興，提問道：“這種推進劑是不是也有缺點？”

還沒等張航回答，小朱雀就從展板上找到了答案，指著展板上的劇毒符號，一本正經(jīng)地說：“我知道，偏二甲肼有劇毒，有腐蝕性[6]。”

“有毒？那為什么還要用呢，而且那么多火箭都在用？”

張航趕快安撫大家：“咱們的化學(xué)品都有規(guī)定的儲存條件和安全操作的規(guī)范，只要嚴格遵守，就會安全的。”

然后又補充說：“這種助推劑是常溫液體，方便儲存和攜帶，我國的空間站就是使用這種燃料，而且使用這種燃料的發(fā)動機很穩(wěn)定，長征二號火箭發(fā)射了15次，都沒有出現(xiàn)發(fā)動機故障，是我國唯一的載人火箭[7]。”

聽到這里，小朱雀知道了這些助推劑都能用來發(fā)射火箭，但是，各有優(yōu)點，也各有缺點，沒有一種是完美的。那有沒有既安全，又便宜的助推劑呢？

看著小朱雀們苦惱的表情，張航提高了聲音：“大家別忘了，今天，咱們藍箭發(fā)射了朱雀二號，它的助推劑可是很棒的奧！”

5 液氧甲烷展神威

大家激動地來到最后一個展板前，這里是“朱雀二號”的展區(qū)，張航的聲音帶著自豪：“朱雀二號火箭用的助推劑是液氧甲烷，甲烷就是咱們家中做飯用的天然氣，咱們國家的天然氣儲量豐富，所以價格便宜，將甲烷液化，可以和液氧一起作為推進劑，在火箭升空時，把液態(tài)甲烷和液氧的開關(guān)打開，讓它們在燃燒室混合點燃，反應(yīng)就會按照圖5的方程式進行，反應(yīng)釋放的能量就可以驅(qū)動發(fā)動機了，而且，它們的混合比例也可以通過開關(guān)調(diào)節(jié)。”

圖5 液氧和甲烷的燃燒反應(yīng)方程式

“為什么要調(diào)節(jié)呢？”小朱雀提問道。

“調(diào)節(jié)甲烷和氧氣的比例，是為了讓它們充分燃燒，充分燃燒的產(chǎn)物都是氣體，而且沒有污染，如果不充分燃燒，也會有積碳問題的。”張航回答。

小朱雀露出明白了的表情，說：“這樣的話，液氧甲烷的發(fā)動機就可以回收后循環(huán)再使用，大大節(jié)約了成本，而且甲烷也不貴，液氧的獲取也很方便，朱雀二號在成本上占了很大的優(yōu)勢。”

另外一個小朱雀說：“還沒有毒，很環(huán)保！”

張航贊同地點頭，繼續(xù)給大家講解：“優(yōu)點還不止這些，液態(tài)甲烷和液氧的沸點分別是-161 °C和-183 °C，溫度接近，儲存和維護的成本也低；液態(tài)甲烷的密度是0.716 g?mL-1，密度比較大，裝液態(tài)甲烷的罐體積就較小，對于火箭來講，就是自重減輕了，這也是個很大的優(yōu)勢[8]。”

“真好！”小朱雀們由衷地贊嘆。

張航又一次拔高了聲音：“朱雀二號是全球首枚成功入軌飛行的液氧甲烷火箭，液氧甲烷推進劑和發(fā)動機以及很多的材料、工藝都是由咱們藍箭基地研究開發(fā)成功的，朱雀二號的成功發(fā)射標志著咱們中國運載火箭在新型低成本液體推進劑應(yīng)用方面取得了重大突破！”

聽到這里，小朱雀們不由自主地熱烈鼓掌，小臉也激動得通紅，大家都在為藍箭基地的發(fā)射成功祝賀！

這時，張航的語氣變得沉著了，他告訴小朱雀，盡管液氧甲烷作為推進劑有著顯著的優(yōu)勢，但是，液氧甲烷的發(fā)動機卻面臨很多的挑戰(zhàn)，比如冷卻方式、氣體混合比、氣體噴注器、復(fù)合材料的選擇等很多技術(shù)問題需要優(yōu)化[9]。在2022年12月14日，朱雀二號的第一次發(fā)射就因為二級游機異常關(guān)機故障發(fā)射失敗了。

“但是，藍箭基地的科學(xué)家頂住了壓力，通過反復(fù)的試驗，積累了大量的數(shù)據(jù)，改進再改進，優(yōu)化再優(yōu)化，終于實現(xiàn)了成功的發(fā)射，科學(xué)家的鉆研精神值得我們學(xué)習(xí)！”張航的語氣再一次激昂起來。

6 尾聲

帶著興奮的心情，小朱雀又在張航的帶領(lǐng)下了解了甲基肼、1,2-二甲基肼等火箭燃料，還了解到助推劑中還要加入液氮、液氦用以保護和吹掃，還有氨等冷卻劑……，收獲滿滿。參觀快要結(jié)束了，張航感謝小朱雀的虛心好問，小朱雀也感謝張航為大家介紹各種火箭助推劑的比較，但是，小朱雀又產(chǎn)生了很多新的疑問。

“助推劑在太空的低溫中能不能穩(wěn)定？”

“一枚火箭能不能使用兩種助推劑？”

“空間站里的助推劑怎么補充？”

“火星上也有甲烷，是不是可以實現(xiàn)火星旅行？”

“太空中氫元素的含量很高，空間站可不可以捕捉太空中的氫來使用？”

“為什么火箭發(fā)射時有的火焰是藍色的？有的是紅色的？”

“火箭的材料是什么？為什么不怕火？”

……

一個又一個大膽的想法讓張航招架不住，他暗暗下決心，繼續(xù)努力學(xué)習(xí)，畢業(yè)后，加入藍箭基地，為家族的使命和國家的強大盡自己的綿薄之力。

他向小朱雀們大聲說：“小朱雀，宇宙中還有很多奧秘需要我們?nèi)ヌ剿鳎蠹乙W(xué)習(xí)，以后一定能找到更好的推進劑，我看好你們奧！”

小朱雀都笑了，笑聲中有歡樂，有憧憬，有希望……