火箭推進劑

2023年12月25日發(作者：李必成)

火箭推進劑

ROCKET PROPULSION

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學號：**********

序號：138

所在院系：求是學院

姓名：陸元超 學號：3120100714 序號： 138 所在院系：求是學院

摘要：火箭是由中國人發明的，中國是古代火箭的故鄉。由中國古代科學家最早運用火藥燃氣反作用力原理創制的火箭，在當代科學精英的手中發展成為運載飛船升空的大力神，這是我們每個炎黃子孫都引以為自豪的輝煌成就。 火箭（rocket）是以熱氣流高速向后噴出，利用產生的反作用力向前運動的噴氣推進裝置。它自身攜帶燃燒劑與氧化劑，不依賴空氣中的氧助燃，既可在大氣中，又可在外層空間飛行。現代火箭可作為快速遠距離運輸工具，可以用來發射衛星和投送武器戰斗部（彈頭），也可以用來推動飛機。作為現代戰爭和航天的最主要的工具與武器的之一，研究火箭就等于研究增強國家綜合國力的方法。同時研究火箭的關鍵之一——火箭推進劑也就在其中起著無法比擬的重要作用。因此對火箭推進劑的研究就是及其關鍵的了。當然火箭推進劑的研究也起著是火箭打擊精度提高以及提高火箭的飛行速度和飛行里程。

1.火箭推進劑的介紹

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1.1火箭推進劑的概念：又稱“火箭燃料”或“火箭發射藥”。是用來給火箭提供動力、為火箭或導彈提供燃料、通常情況是化學物質的高能可燃性物質。

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1.2火箭推進劑的原理與組成：火箭推進劑一般以某種形式大量存儲在推進劑容器里，反應過后的大量氣體產物被用來從火箭發動機以流體噴射物的形式射出，依據牛頓第三定律為物理原理，以產生推力作為推進。燃料推進劑往往與氧化劑推進劑燃燒產生大量非常熱的氣體。這些氣體膨脹并從噴嘴噴出，不斷加速，從火箭底部沖出產生推力直到火箭達到極高的速度。例如肼的燃燒：N2H4+O2=N2+2H2O,產物都是氣體。有時推進劑不會燃燒，但可以從外部加熱都達到更好的效果。對于較小的推進器，使用壓縮氣體通過推進噴嘴噴出以推動飛船。 推進劑的主要組成分為氧化劑和燃燒劑，其中還有催化劑和純化劑。 當然隨著科技的進步也出現了一些特殊的推進劑。例如，離子推進劑，核能推進劑。

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1.3火箭推進劑的分類(包括優缺點)：按照物理形態：有液體推進劑，固體推進劑和混合型推進劑。還有一些比如惰性推進劑，離子推進劑也用于火箭上。按化學性質分有無機推進劑，有機推進劑。這里只從物理形態進行討論。

1.3.1液體推進劑：液體推進劑的燃料和氧化劑都是液態的保存在火箭的燃料箱中的?？煞譃閱卧投獌深?。單元推進劑可以是一種液體物質，也可以是一種互相溶解的多成分液體混合物；二元推進劑包括液體氧化劑和液體可燃物，它們在燃燒前分開貯備。優點:比沖較高（比沖是指單位重量推進劑所產生的總沖量，以??????=??????，其中????——燃燒掉的推進劑質量），工作時間較長，發動機可重復使用，成本低廉，精度高；缺點：發射前要加注，通常情況都有劇毒，設備復雜。

1.3.2固體推進劑：固體推進劑由9油灰或橡膠狀的可燃材料構成，是燃料和氧化劑的混合體。當然，固體推進劑有很多種，例如：雙基推進劑（由高分子炸藥和爆炸性溶劑，再混入少量附加物溶解塑化而制成的）、復合推進劑（由充分粉碎的無機氧化劑，和被用作燃料的高分子膠粘劑均勻

包覆，并加少量附加物而組成聚集態為異相）、復合雙基推進劑（ 介于雙基和復合中間類型的火藥）。。優點：結構簡單，操作簡便，工作可靠，成本較低，使用安全，旋轉穩定；缺點：比沖較低，推力向量不易控制，工作時間短，穩定燃燒的臨界壓力高等。

1.3.3混合型推進劑：此種火箭推進劑中既有固體推進劑，又有液體推進劑，是一種為了彌補對方缺點而加大優勢互補的推進劑。其中，是用固體的燃料而用液體的氧化劑（此類暫時使用較少，但其中的過氯酸銨加鈹和液氧有發展前途）。

1.3.4惰性推進劑：此類推進劑來自非化學能源或來自外部的能源。例如太陽能，空氣，水等。這種推進劑節能環保，但同時性能較低。

1.3.5離子推進劑：其原理是將氣體電離，然后用電力場將帶電的粒子加速噴出，以其反作用力推動火箭。這種推進劑最為經濟，比沖遠大于其他類型的推進劑，但也有缺點它的推力很小，需要長時間加速，只能在真空環境下。

? 1.4火箭推進劑的特點：高的熱值以獲得高的比推力，低的燃燒產物分子量，高的單位體積燃燒熱以減小火箭尺寸，高的燃燒產物比熱，燃燒產物應處于氣態以保證熱能有效地轉化為動能，高的自燃溫度以防意外著火，化學和物理的穩定性高，足夠的對機械沖擊的穩定性，不易突然爆炸。；⑨經濟成本低、原料來源豐富；⑩若為固體推進劑，還應有良好的力學性質，有較大的抗拉強度和延伸率

? 1.5火箭推進劑的現狀：在當今的種種推進劑系統中，只有少數具有高性能

的特征的。其中，液體推進劑主要是硝基類氧化劑（四氧化二氮，紅發煙硝酸）和肼類燃燒劑（偏二甲肼，混肼）：例如：混肼-50(類似煤油)作燃燒劑，四氧化氮作氧化劑（這也是當今最普遍的液體推進劑），液氫做燃料，液氧做氧化劑。這種組合是當前最有潛力的組合（但由于儲存問題不能大量使用）。固體推進劑主要向高能化方向研究，例如：高能量密度材料，超高能量密度復合材料。同時，也向金屬燃燒劑（例如：硼，鋁，三氫化鋁等）和含能粘合劑體系（例如含能粘合劑，含能增塑劑）方向研究。

2.火箭推進劑的起源與發展

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2.1起初的火箭推進劑 ：20世紀初前，最早的火箭推進劑是固體推進劑，即黑藥。黑藥是木炭,硫磺和硝酸鉀的混合物。這種組合從開始以來很少有所改變。最初是粉末狀的，后來變為粒狀。1930年后，英、德兩國將此類雙基火藥擠壓成管。1926年第一枚使用液氧和煤油二元推進劑的液體火箭發射成功。

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2.2火箭推進劑的發展：在發展過程中由于各自的特點導致液體推進劑主要用于運載火箭，而固體推進劑主要用于戰略火箭。

2.2.1運載火箭：50年代，蘇聯發射第一個人造地球衛星，仍使用液氧和煤油。60年代的阿波羅土星計劃，這些大推力火箭有些使用液氧、液氫、四氧化二氮和混肼的液體推進劑。70年代后，使用液體推進劑發射各種類型的空間飛行器，并把單元推進劑用于空間姿態控制。1984年，我國的長征三號采用液氧/液氫推進劑系統。

2.2.2戰略火箭：固體推進劑：二戰期間M-13火箭筒成功采用了雙基推進劑，同時，美國研究成功了由過氯酸鉀和瀝青組成的固體復合推進劑，極大推動了固體火箭的發展。中國也于1958年制造了復合雙基推進劑，主要組分是硝化棉、硝化甘油、過氯酸銨和鋁粉等。50年代，創用高分子聚氨酯等和

1962年創用端羥基聚丁二烯，制成固體推進劑。20世紀80年代以后，產生了系列高能物質，包括粘合劑，氧化劑，增塑劑和添加劑等。近年來，固體推進劑主要向高能化方向研制。液體推進劑：：在1942年V-2火箭使用液氧和酒精二元推進劑。70年代后，使用液體推進劑裝備遠射程大彈頭的戰略導彈

3.火箭推進劑在現代軍事和航天上的應用

? 軍事：軍事戰略火箭現在國際上通常情況下會用高能固體推進劑發射。

? 航空：在發射運載火箭時通常會使用多級火箭的方法，因此，從各方面考慮一般會使用固體推進劑作為一級火箭的燃料，而二、三級火箭通常不使用固體推進劑，只是用液體推進劑。還有宇宙飛船中用的燃料也通常用液體推進劑。

4．中國的運載火箭推進劑的發展歷程及未來發展

發展歷程：我國自從1955年錢學森歸國就開始研究火箭及火箭推進劑。1970年，長征一號使用了硝酸-27s+偏二甲肼的液體推進劑；1971年長征一號D使用

了硝酸-27s+偏二甲肼；四氧化二氮+偏二甲肼的液體推進劑；1974~1999年長征二號系列、1972年風暴一號和長征四號系列火箭使用了四氧化二氮+偏二甲肼的液體推進劑；1984~2008年長征三號系列使用了四氧化二氮+偏二甲肼；液氧+液氫的液體推進劑。

未來發展：在開發中的長征五號火箭液氧+煤油；液氧+液氫的液體推進劑；在開發中的長征六、七號將用液氧+煤油液體推進劑為燃料；以及正在論證中的長征九、十一號將用液氧+煤油作為燃料。

長征火箭系列

5.常用的火箭推進劑

5.1液體推進劑：（1）燃燒效率很高多用于航天飛機及運載火箭末級昂貴、不易儲存的液氫(燃料)液氧(氧化劑)。

（2）燃燒效率一般多用于中型火箭價格適中、較易儲存的肼-50(燃料)四氧化二氮(氧化劑)。

（3）燃燒效率一般多用于火箭第一級價格適中、不易儲存的RP-1高精煉煤油(燃料)液氧(氧化劑)。

（4）燃燒效率一般自燃、多用于衛星價格相對便宜、腐蝕性極強的肼(燃料)四氧化二氮(氧化劑)。

（5）過氧化氫(H2O2)是一種主要用來提供氧化劑及助燃劑的液體材料，由于產物是水（H2O)非常綠色環保。

5.2固體推進劑：雙基/AP/HMX/AL、聚氯乙烯/AP、聚氯乙烯/AP/AL、聚硫橡膠/AP、聚硫橡膠/AP/AL、聚氨酯/AP/AL、PBAN/AP/AL、PBAA/AP/AL、HMX/AP/AL（其中AP指的是一種含氧量較高的高氯酸胺又叫過氯酸胺、AL指的是鋁、PBAN指的是聚丁二烯-丙烯腈、PBAA指的是聚丁二烯丙烯酸共聚物推進劑、HMX指的

是奧克托金）。

6.結論與前景

6.1結論：在對火箭推進劑研究中，實際上就是國家間的最強武器和未來戰略之間的博弈。無論從過去和當下的經驗看來這無疑都是成立的。實際上火箭推進劑就是火箭的核心，人們在研究火箭推進劑就是研究火箭。研究如何提高火箭的打擊精度、打擊范圍、飛行速度以及實用性和降低火箭的負載、成本。同時，考慮到材料的可用性以及豐富度。

6.2前景：在未來的戰場將主要是在太空，而想進入太空首先要有火箭，這也決定了火箭推進劑在未來的巨大作用。如果研究出好的火箭推進劑等于研究出好的、高性能的火箭，從而拿到在太空戰場上的主導權，也就占盡優勢，獲得最大的利益。因此火箭推進劑的前景是非常好的！

然而從現在火箭推進劑發展的趨勢來看，主要有以下幾個研究的熱點。1、液氫液氧：這種推進劑具有很高的比沖且燃燒產物清潔無污染。但目前主要在其儲存方面和制備方面存在問題。我們相信未來定有新的高效儲存方法以及類似太陽能發制備。2、離子推進劑：此種推進劑推力小，但相信為阿里肯定能大放異彩。3、自由基：這在現在只是一種猜想，若能夠研制出來將會大大加快火箭的速度和降低火箭的成本。在研制中要考慮產生自由基的方法，自由基濃縮的程度，用和方法保存很久，自由基如何按可控速度和有效方式安全化合等問題。4、原子核推進：這種推進劑是建立在核聚變和核裂變基礎上的，就是將原子核的能量利用起來。效率高且技術成熟后花費低。在研制過程中要考慮核爐和反應的控制等問題。5、高能固體復合推進劑：這種推進劑也是研究的熱點。6、光子推進：這是一種從理論上現在成立的推進劑，此類推進劑效率極高、工作流體以光速排出。

參考文獻

（1）周漢權 《單組元液體火箭發動機設計和研究 》 航天科技圖書出版社

（2）董師顏 孫思誠 張兆良 徐萬賦 《 固體火箭發動機原理 》 中國科學出版社

（3）張斌 毛根旺 王赫 王天寶 劉超 高能復合固體推進劑的研究進展 《材料導報：綜述篇》 2009年4月（上）第23卷第4期

（4）王恒生 張國軍 程艷婷 楊振華 固體推進劑中新型含能材料研究進展 《華工科技》 2012,20（1）：76—80 SCIENCE﹠TECHNOLOGY IN CHEMICAL INDUSTRY

（5）F.A.華倫 《火箭推進劑 》 國防科技出版社

（6） (美國)B.克特 （美國）D.S.埃佛雷德 張 清 譯 《火箭推進劑手冊》 國防工業出版社

（7）中國科學技術情報研究所 《火箭推進劑講話》 化學工業出版社

（8）（蘇聯）A.B.謝列金 光華 譯 《液體火箭推進劑》 國防工業出版社

（9）研究生：萬方 導師：譚玉山、王裕文 復合固體火箭推進劑燃面層溫度場測試及其熱輻射的紅外研究 西安交通大學碩士學位論文

（10）M.E.列茲尼科夫 著 周靜方 譯 航空和火箭燃料及潤滑材料 中國工業出版社