提升运载能力,火箭需要哪些「先进燃料」?
今年10月11日10时20分,我国太原卫星发射中心在山东海阳附近海域使用引力一号(遥二)·海澜之家号运载火箭,将吉林一号宽幅02B07星、数天宇星01和02试验星共3颗卫星送入预定轨道,发射任务获得圆满成功。
此次任务是引力一号运载火箭的第二次飞行,其由联想之星所投企业东方空间自主研制。据介绍,“引力”系列运载火箭是东方空间面向商业航天市场自主研制的大中型系列化运载火箭品牌,整体定位于满足快速增长的各类型卫星规模化组网、补网等发射需求。
具体参数方面,引力一号运载火箭近地轨道运载能力为6.5吨,500公里太阳同步轨道运载能力4.2吨,具备200至400公斤级卫星“一箭十星”至“一轨十八星”以上的发射能力,具备可靠性高、运载能力大、载荷空间大、海陆通用、快速响应、性价比高等特点。
汽车驰骋大地,依靠汽油;飞机翱翔蓝天,依仗煤油;高铁呼啸钢轨,依赖电力。而火箭欲挣脱地球引力、直冲云霄、提升运载能力,所需燃料又将具备哪些“先进性能”?
01
火箭燃料的类型
火箭燃料(也称“推进剂”)主要包含燃烧剂和氧化剂。与汽车和飞机不同,火箭必须自带氧化剂,因为太空环境中没有氧气支持燃烧。
按照物理形态的不同,火箭推进剂可分为液体推进剂和固体推进剂。
● 液体推进剂:即燃烧剂和氧化剂均以液体的形式分别存储在火箭的贮箱里,工作时由输送系统将它们送入发动机的燃烧室。
特点:具有比冲高(即单位质量的燃料所能产生的推力)、推力可调节、发动机可多次启动及脉冲工作等优势,但由于液体推进剂本身具有易燃、易爆、易泄漏的特性,不易长期存储,一般在临近发射时才向火箭贮箱进行加注。
用途:适用于需要精确控制的任务(如入轨与变轨、姿态控制、着陆回收等)。
● 固体推进剂:类似于烟花中所需的火药,在出厂前就已经填充于火箭之中。
特点:推力大、结构简单、易于储存、发射准备时间短,但推进剂自身质量大、比冲小、工作时间短、推力不易调节、发动机难以多次启动。
用途:多用于小型快速发射的火箭以及大型运载火箭的助推级中。
02
液体推进剂是“主心骨”
若将固体推进剂视为贡献力量的“大力士”,液体推进剂则是掌控全局的“多面手”,它决定了航天任务所能达到的精度与高度。目前,液体推进剂的主要类型有液氢液氧、液氧煤油和液氧甲烷。
● 液氢液氧——高性能的“效率王者”
优点:
比冲高、推力大:燃料效率极高,且能满足大推力火箭的发射需求
清洁环保:燃烧产物几乎是纯净的水蒸气,无毒无害
缺点:存储难度大、易蒸发、密度低(使得火箭自重大大增加)
● 液氧煤油——经济实用的“主力军”
优点:
技术成熟:经历了多年的发展和验证,非常可靠
性能均衡:比冲高于固体,但低于液氢液氧
成本较低:煤油价格便宜,易于储存和处理
密度高:燃料箱可以做得相对较小,使火箭结构更紧凑
缺点:燃烧后容易积碳、结焦,影响发动机重复使用
● 液氧甲烷——未来可复用的“新星”
优点:
性能适中:比冲高于煤油,但低于液氢
积碳少:燃烧非常清洁,是可重复使用火箭的理想燃料
成本低廉:甲烷(天然气主要成分)来源广泛,价格便宜
缺点:技术较新,处于持续完善阶段
03
商业航天企业为火箭燃料“添新柴”
近年来,商业航天力量的蓬勃发展,为我国航天事业注入了创新动能。在火箭这一核心领域,联想控股体系已投资多家创新企业,助力它们在关键领域实现技术突破。
君联资本所投企业蓝箭航天致力于建设覆盖设计、制造、试验、发射的液氧甲烷火箭研制和发射能力。目前,蓝箭航天湖州动力制造基地已实现百吨级发动机年产突破百台,批量化生产能力显著增强。
实现全球首个:2023年7月12日,蓝箭航天研制的朱雀二号遥二液氧甲烷运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射,成为全球首枚实现入轨的液氧甲烷火箭。
发动机持续迭代:80吨级液氧甲烷发动机“天鹊12A”已完成多次飞行验证;百吨级“天鹊12B”正处于高频试车与批量交付阶段;220吨级全流量补燃循环发动机“蓝焱BF”已完成30余次试车,实现50%工况稳定运行。
联想之星所投企业东方空间是一家运载火箭和新型空天运输工具的设计制造公司,通过研发“引力”系列运载火箭、“原力”系列火箭发动机、“鸿力”系列空天信息装备,打造一次性使用和可回收重复使用的系列化空天运输产品。
实现全球最大:2024年1月11日,东方空间自主研制的“引力一号”遥一商业运载火箭首飞成功,创造了全球最大固体运载火箭、中国运力最大民商运载火箭、中国首型捆绑式民商火箭等多项纪录。
发动机取得关键突破:东方空间近日在山东泰安完成了“原力-110”液氧煤油发动机首台整机热试车,其海平面推力达110吨,设计复用目标20次以上。公司预计,搭载该发动机的“引力二号”大型液氧煤油火箭将于2025年底具备首飞条件。
展望未来,随着火箭燃料的不断革新,人类探索太空的征程必将更加深远,最终抵达更广阔的星辰大海。
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