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民营火箭成功首飞的背后液体火箭和固体火箭的区别详解

2019年07月25日 15:11 ? 次阅读

  本次发射搭载了航天科工空间工程发展有限企业和北京理工大学的两颗卫星,搭载了三个末子级载荷,以及两个商业配重。

  据“星际荣耀”企业官方微信公众号消息,2019年7月25日13点,该企业的“双曲线一号”火箭在酒泉发射升空,成功把载荷送入预定轨道。这是中国民营火箭企业第三次尝试发射卫星,也是首获成功。

  据悉,双曲线一号”为四级固体小型运载火箭,箭体直径为1.4米,全箭总长20米,起飞质量31吨,起飞推力58.6吨,近地轨道的运载能力为300公斤。本次发射搭载了航天科工空间工程发展有限企业和北京理工大学的两颗卫星,搭载了三个末子级载荷,以及两个商业配重。

  星际荣耀成立于2016年10月,2017年8月正式投入运营,是提供运载火箭研制和发射服务解决方案的民营商业航天企业。

  2018年4月5日,星际荣耀曾经成功在海南发射“双曲线一号S”火箭,那次是亚轨道飞行测试,不入轨。本次是入轨发射,载荷要达到能环绕地球运行的第一宇宙速度。

  在中国民营航天企业中,除了星际荣耀,还有两家也曾尝试发射轨道火箭并运送卫星。

  2018年10月27日,“蓝箭航天”曾用“朱雀一号”固体火箭尝试发射卫星,但遗憾的是,卫星在最后阶段没能入轨。蓝箭首次拿到中国民营运载火箭发射许可证,并获得官方正式的服务支撑。

  2019年03月27日,另一家民营航天企业“零壹空间”在酒泉发射“重庆两江之星”固体运载火箭,但火箭在一级分离后失去控制,发射任务遗憾告败。

  细心的朋友会注意到,三次民营航天企业都采用是固体运载火箭。借这个事件,大家来普及一下火箭发动机这方面的常识。

  顾名思义,采用固体推进剂的火箭称为固体火箭;采用液体推进剂的火箭称为液体火箭。总体来讲,液体推进剂的性能优于固体推进剂,所以运载火箭大多采用液体推进剂。液体火箭的推进剂分别贮存在火箭的氧化剂箱和燃料箱内,工作时由输送系统将它们送入发动机的燃烧室;而固体火箭的推进剂就贮存在发动机燃烧室内,无需贮箱和输送系统,方便机动发射和储存。

  液体火箭和固体火箭燃料上有什么区别?

  主流的液体火箭通常使用的燃料包括,四氧化二氮/偏二甲肼;液氧/煤油,以及液氢/液氧,甚至液氧甲烷。马斯克未来用于发射“星际飞船“的“猛禽‘发动机,贝索斯的BE4发动机以及中国民企蓝箭航天正在研制的”天鹊“发动机都是液氧甲烷发动机。

  固体火箭发动机的燃料比较复杂:

  氧化剂,最常用的是:过氯酸铵,其他的有过氯酸钾、钠、锂,硝酸铵、钾、钠、锂;

  金属燃料,最常用的是铝,特别是超细铝粉,其他有氢,碳,锂,铍,硼,镁粉末;

  粘结剂,使氧化剂和金属燃料等固体粒子粘结在一起成为弹性基体,并为燃烧提供C、H等燃料元素。有聚氯乙烯,聚氨酯,聚丁二烯等;

  固化剂,使上述的东西成为固体;

  增塑剂,降低粘度,增加流动性,改善力学性能。

  液体火箭和固体火箭的优缺点是什么?

  液体火箭发动机的优势在于燃料易于制取、通常从石油或化工原料中可以直接制成,燃烧的比冲大、推力强劲、持续性好,所以,世界上多数的大推力运载火箭都使用液体燃料发动机作为动力,像我国的“长征”系列运载火箭,绝大多数都使用液体发动机作为推进系统,少量采用的固体推进器也只是辅助手段。

  但是液体火箭发动机的燃料灌装和存储困难、技术要求高、同时使用风险很大,液体燃料经常伴随着高挥发性和毒性,像我国发射卫星使用的“长征”运载火箭主要使用偏二甲肼为燃料,这就是一种集挥发性和剧毒为一体的燃料,同时,液体火箭的体积也很大,转移和机动都很困难。

  固体火箭发动机是目前小型火箭、火箭炮弹药、多数军用导弹的主流动力源,其燃料易于工业制成,同时便于存储和运输,基本没有挥发性和借助空气传播的毒性,所以安全性比较好,而且寿命很长,能够存储十多年,而液体燃料最多三个月就会变质。

  但是固体火箭发动机的燃烧比冲较小、燃烧延续时间较短、同时整体的燃料质量很大、又受到固体燃料燃烧性质的影响,所以用途受到限制。

  为什么民营企业初始航天发射都采用固体发动机?

  2018年年底,Tencent科技曾对蓝箭航天张昌武进行过专访,正好也问到了这个问题。他表示,对于民营企业来讲,把火箭制造出来仍然是一件很有挑战的事情。研发火箭的保障措施:包括供应体系,测试体系,都需要慢慢建立。如何把社会资源利用起来,把供应链条打通,这也是一个有挑战的事情,或者说这本身比大家的火箭设计更具挑战。从技术上来讲,固体火箭的研制周期比液体火箭要短,可靠性要好,但未来的大方向还是研制液体火箭。

  据悉,蓝箭正在研制80吨推力的液氧甲烷的“天鹊”液体火箭发动机。本月19日和21日,该企业的“天鹊”液氧甲烷发动机100%推力100秒试车成功。星际荣耀的15吨级液氧/甲烷变推力火箭发动机——焦点一号也已经完成了整机200秒长程试车。

  如何用肉眼区别固体火箭和液体火箭?

  不同燃料的发动机尾焰各不相同,但总体来讲液体火箭发动机尾焰较轻,固体火箭发动机通常浓烟滚滚。这一点可以从过去航天飞机发射的时候明显看得出来。

  大家来简单了解一下航天飞机的结构:航天飞机两侧捆绑的是固体火箭助推器,航天飞机本身在尾部有3个液氢液氧发动机,航天飞机腹部有一个巨大的外挂燃料箱,里面盛放的是液氢和液氧。航天飞机发动时,固体推推器的滚滚浓烟完全把氢氧发动机纤弱的尾焰完全掩盖掉!

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