液體推進劑發展現狀*

王慧琴，張 靜，段永亮，安良成

（國家能源集團寧夏煤業有限責任公司，寧夏銀川750411）

推進劑是航空航天及國防領域（如戰術導彈）的關鍵核心技術之一。從中國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、載人飛船、洲際導彈、反導武器、魚雷、各類衛星以及大口徑火炮、無人飛機，都離不開推進劑作動力源。

推進劑可分為固體推進劑和液體推進劑，液體推進劑是當今世界上使用最廣泛、用量最大的推進劑[1]。其在航天器的研究、設計、試驗和使用等各個階段都占據重要地位。以液體推進劑作為動力源的液體火箭具有比沖大、推力可調、可多次點火啟動和推力易控制等優點，在宇航領域有著獨一無二的優越性。

1 液體推進劑分類

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

根據組元種類可分為單組元推進劑和雙組元推進劑兩大類，單組元推進劑通過自身分解或者燃燒進行能量轉換并產生工質。雙組元推進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、肼類和碳氫化合物等。二者分別貯存于不同的貯箱，并有不同的輸送管路。根據氧化劑和燃料在直接接觸時的化學反應能力，可將雙組元推進劑進一步細分為自燃和非自燃兩大類。在火箭發動機使用條件下，自燃推進劑中的氧化劑和燃料被同時噴入發動機燃燒室相互接觸后，不需要點火系統，即可立即自燃點火進入額定工作狀態，不僅簡化了發動機的設計而且更加安全可靠。

根據組元保持液態的溫度范圍，推進劑可分為高沸點和低沸點推進劑。高沸點推進劑的組元沸點要求高于298 K（25℃），在地面使用條件下是液態，無蒸發損失。可在密封貯箱中貯存較長時間。在標準壓力下，沸點低于298 K的推進劑為低沸點推進劑。

根據液體推進劑的貯存性能，可分為地面可貯存液體推進劑、空間可貯存液體推進劑和不可貯存液體推進劑。

2 液體推進劑的發展歷程

人類最早使用的推進劑是固體推進劑，直到1900年以后，液體火箭才正式開始研究。俄國的齊奧爾可夫斯基和德國的阿伯爾等創立了火箭理論，建立了許多火箭構造和星際航行的新概念，并提出了近代液體火箭發動機的再生冷卻夾套燃燒室以及用氧、氫、汽油、酒精、柴油等作推進劑，他們為液體火箭的最初發展做出了奠基性的貢獻[2]。從1900年到現在，液體推進劑的發展歷程大致可分為以下 4 個階段。

2.1 液體推進劑的初步研究和應用時期

20世紀初直到1957年是液體推進劑的研究初期。這個時期推進劑的主要研究成果是中能低溫推進劑（即液氧與煤油或酒精）和單元推進劑過氧化氫（括高錳酸鉀催化劑）。該時期主要液體推進劑有氧化劑：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；單元推進劑：過氧化氫、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劑，也是前蘇聯和美國用于發射第一顆人造衛星的推進劑[3-4]。

2.2 液體推進劑的大發展時期（1957～1969年）

1957～1969年可以說是液體推進劑的大發展時期。在這期間前蘇聯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劑的火箭發動機，用作洲際導彈的動力裝置。美國對推進劑進行了全面研究，包括可貯推進劑（如硝基和氟基氧化劑、肼類燃料和膠體燃料 ）、高能低溫推進劑（如液氟、液氫）、單元推進劑（如肼、有機二氟胺基化合物、Otto-Ⅱ）、三元推進劑（如液氧-鈹粉-液氫）以及固液推進劑（如高氯酸硝酰與肼）。1967年7月16日，美國成功地發射了載人登月宇宙飛船。大發展時期推進劑的主要研究成果有高能低溫推進劑液氧與液氫、中能可貯推進劑硝基氧化劑與肼類燃料、單元推進劑Otto-Ⅱ和肼。研究和應用的主要液體推進劑包括氧化劑：液氟、二氟化氧、液氧、四氟化肼、過氯酰氟、五氟化氯、三氟化氯、四氧化二氮、紅煙硝酸和過氧化氫等；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 對現有液體推進劑性能改進和繼續研究高能推進劑時期

20 世紀70年代至80年代，各國對推進劑的研究重點集中于改進已有的液體推進劑和繼續研究高能液體推進劑。前者即性能改進，比如降低冰點和沖擊敏感，提高沸點、密度、能量、貯存性能和熱穩定性，改進緩蝕劑、冷卻和燃燒性能等。后者主要從氧化劑和燃燒劑兩方面進行研究[2-4]。

2.4 研發環境友好的綠色高能推進劑時期

20世紀80年代以后，對液體推進劑的研究主要集中于綠色高能推進劑。目前國內外使用和正在研制的無毒環境友好型液體推進劑有如下幾類：

（1）過氧化氫基推進劑。過氧化氫是一種環境友好的液體推進劑，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劑。過氧化氫基雙組元液體推進劑包括過氧化氫/醇類、過氧化氫/疊氮胺類和過氧化氫/煤油等。過氧化氫/醇類雙組元液體推進劑在國外的研究以美國海軍空戰中心(NAWC)為代表，目標是用于“海軍導彈防御系統”(DACS)[5-6]。中國航天液體推進劑研究中心對過氧化氫//醇類雙組元推進劑進行了深入的研究，已找到合適的添加劑和催化劑。研究發現過氧化氫/丁醇推進劑具有自燃特性，以及點火延滯期短，廉價、環保、高能、冰點低（- 58℃）、沸點高（117℃）和穩定等優點[6]。疊氮類有機化合物（如N (N3)3、HN(N3)2、NO2N3、B2H2(N3)4等）是一種帶有疊氮基團（-N3）的新型含能材料。引入疊氮基既能提高推進劑的能量和燃速，又能降低推進劑的火焰溫度，此外疊氮類有機化合物毒性低，具有優良的比沖性能和自燃性能，使用前景廣闊。美國已成功地完成了過氧化氫/疊氮胺推進劑火箭發動機實驗，并準備將疊氮推進劑用于空中導彈和潔凈助推器[7]。

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

（3）硝酸羥胺（HAN）基單組元液體推進劑，此類推進劑為HAN、燃料（如醇類、硝酸三乙醇胺和甘氨酸等）和水的混合物。具有無毒、能量高、性能易調節、貯存和后勤供應方便、冰點低、密度比沖高、常壓下不敏感、貯存安全、和無著火爆炸危險等優點。在NASA的綜合高性能火箭推進技術（IHPRPT）項目支持下，美國研究的硝酸羥胺/甘氨酸/水體系（水含量 26.0%），已被選用在Spartan Lite衛星軌道上升系統上。我國從上世紀 90年代末開始對硝酸羥胺基推進劑進行探索性研究[9]。中國航天液體推進劑研究中心制備了 HAN 基單組元推進劑樣品，與中科院大連化物所合作進行過多次發動機催化點火試驗，并對催化劑進行了研究，積累了豐富的經驗[5-10]。

（4）二硝酰胺銨（ADN）基單組元推進劑。ADN具有較高的吸濕性 ,可將其溶解于水中，再添加適當的燃料從而形成單組元液體推進劑。ADN不含鹵素，具有能量密度高、高溫穩定性好和毒性小等優點。此外燃燒時不產生煙，能大幅提高推進劑的能量，降低特征信號和減少環境污染，特別適用于低污染的航天飛機助推系統和空間運輸動力系統。ADN最早由前蘇聯成功合成，但是很快引起了西方各國的興趣，并進行研究。瑞典研究的代號為 LM P-101的ADN基單組元液體推進劑由61%（質量分量，下同）ADN、26%水和13% 丙三醇組成。火箭發動機試驗表明這種推進劑具有點火快、能量高、無毒、燃燒完全且排氣清潔、不污染環境等優點[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 ADN 溶解度的影響，進行推進劑配方試驗研究，測試特性，研究點火和燃燒性能[5]。

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

（6）液氧/烴類無毒推進劑。烴類推進劑具有來源廣泛、成本低廉、組合密度高、比沖性能高、無毒安全環保和耐儲存性能好等優點。液氧/烴類推進劑主要包括液氧/煤油、液氧/甲烷、液氧/丙烷、液氧/液態甲烷和液氫等[13]。美國的宇宙神-5( Atlas-5)、德爾塔-2(Delta-2)、獵鷹-9( Falcon-9)、安塔瑞斯(Antares)和俄羅斯的聯盟號(Soyuz) 、安加拉( Angara) 等系列運載火箭的芯級和助推級動力都采用了液氧/烴推進劑組合[13-16]。液氧/煤油推進劑是使用較為廣泛的一類烴類推進劑。迄今為止，蘇聯和美國已成功研制了諸如土星-5運載火箭的F-1燃氣發生器循環發動機和N–1運載火箭的NK–33補燃循環發動機等多種具有歷史意義的液氧/煤油發動機，其中RD–170高壓補燃循環發動機在一定程度上可稱為液氧煤油火箭發動機技術水平的標桿[13-14]。中國長征五號運載火箭基于120噸級推力的YF–100液氧煤油發動機和50噸級推力的YF–77液氫液氧發動機研制，長征五號作為中國運載火箭更新換代、追趕國際先進水平的關鍵一步，在主要性能指標上已經達到或超過國際主流大型運載火箭的水平[17]。

3 結論與展望

隨著航天技術的不斷發展以及我國新一代運載火箭陸續投入使用，研發環境友好無毒無污染推進劑成為液體推進劑的發展趨勢。液氧/烴類無毒推進劑是未來高性能低成本航天運輸系統推進劑組合的發展趨勢，其中高性能液氧煤油推進劑因具有密度高、常溫可貯存、來源廣泛、綠色低毒和安全等諸多優點得到了廣泛應用，具有良好的應用前景。因而航天煤油需求量逐年增加，鑒于我國“多煤、少油、缺氣”的能源特征，克拉瑪依油田是我國航天煤油的唯一來源，一旦油井及貯運遭到破壞，存在無油可用風險。此外，克拉瑪依油田地處西部邊陲，與俄羅斯境內油田同處一個成油帶，資源枯竭的風險也較高。為了保障液體燃料的可持續供應以及多渠道供應，開發新的航天液體燃料勢在必行。