分析火箭燃料不全用液氫液氧的原因

　　既然液氧液氫是高效環(huán)保的燃料，為什么火箭不是全部都用這個？還要用其它高毒劇毒或對環(huán)境影響很大的燃料？資料說是因為需要臨時灌注，需要低溫保存，制備困難，運輸困難……等等……液氫液氧在工業(yè)和民用都非常普遍了，通常都說灌裝常溫保存運輸，怎么到了火箭上就有那么多苛刻的條件了呢？今天，知乎大牛Phil就來通過分析液氫液氧的優(yōu)劣勢來回答這個問題。

　　液氫液氧的優(yōu)勢

　　比沖高，這是題主提到的“高效”的專業(yè)說法。比沖是衡量火箭燃燒效率的指標，比沖值越高，消耗同樣質量的燃料，產(chǎn)生的沖量越大（即火箭能獲得更多的加速）不同燃料的比沖詳見下圖

　　可見液氫液氧（第一個）是唯一比沖超過400的組合，燃燒產(chǎn)物是水。我國現(xiàn)在長征火箭上常用的是第三個，四氧化二氮+偏二甲肼，有劇毒哦~

　　這樣就扯到了題主提到的環(huán)保問題，其實這真的不是什么問題，相比火電廠燒的那些煤，汽車排的那些尾氣，一年發(fā)射的那幾根火箭對環(huán)境造成的污染真的是九牛一毛。何況中國的發(fā)射場都建在偏遠地區(qū)，就算火箭變煙花了，也不過毒害了一片沙漠。設計航天器時，是否環(huán)保真的只是一個枝梢末節(jié)的問題。

　　液氫液氧的劣勢

　　其實主要都是液氫的劣勢，液氧+煤油或者別的燃燒劑沒什么太大問題

　　1體積

　　液氫的密度是70kg/m3，相比之下煤油（RP1燃料，五號第一級用的）是820kg/m3，偏二甲肼是786kg/m3。液氫的密度不到別人的十分之一！

　　這樣帶來一個巨大的問題就是，你需要一個巨大的罐子裝液氫才夠用

　　航天飛機的外燃料箱（橙罐）看起來很大，其實非常輕，發(fā)射時側面兩個固體助推器就占了全部質量的一半（相比之下固體燃料密度很高），剩下那個大罐子和航天飛機主體瓜分剩下的一半質量。而在橙罐中，那個深色的環(huán)往下的部分全部都是液氫，上面則是液氧（密度1141kg/m3)

　　2溫度

　　液氫的沸點是-252攝氏度，先不說自身的儲存問題，這個溫度首先就使液氫對和他一起裝在火箭里的氧化劑非常的“不友好”，比如液氧的冰點是-219度。在一些簡單的火箭設計中，燃燒劑和氧化劑的罐子是連在一起的，中間只有一層艙壁。而液氫罐和液氧罐卻必須完全分離開，中間留空（所以上面的橙罐上會有一個那么長的深色區(qū)域），不然液氫就把隔壁的液氧給凍住了。

　　3儲存

　　因為極端低溫，液氫和液氧的儲存比較麻煩，如上圖中外置燃料箱上的橙色涂料就是保溫涂層。題主說液氫液氧在工業(yè)和民用領域非常普遍，這是因為這些領域都在地面上！地上的冷卻系統(tǒng)再重也沒問題，但是卻不能搬到火箭上。實際上，火箭中的燃料罐基本都沒有主動冷卻，而只有盡量保溫。即便如此，通?；鸺幸簹涔薜谋毓摅w本身往往可以占到滿罐總質量的10%，而別的燃料罐這個值都是個位數(shù)（這個也和液氫的低密度有關）。這樣一來又浪費一些了液氫高比沖帶來的效率。

　　4蒸發(fā)

　　液氫和液氧被稱為CryogenicPropellant，這類燃料都有個蒸發(fā)的問題。前面說到火箭中液氫和液氧罐只能被動保溫，而保溫再好也是擋不住溫度上升的，因此罐子不能完全封閉，否則隨著溫度上升，低溫液體會不斷蒸發(fā)成氣體會導致內部壓力過大而爆炸。實際上液氫和液氧都是在發(fā)射倒計時前才現(xiàn)場注入火箭內的，從那時起燃料罐就開始不斷漏氣泄壓。

　　如果飛行中火箭發(fā)動機需要中途關機，等待二次點火，閥門也不能關死。因此液氫液氧只能用作發(fā)射燃料，不能在航天器上長期儲存，不然就漏光了。像需要長時間運行的空間站，衛(wèi)星，火星和深空探測器上，是絕對不可能用液氫+液氧的。這些航天器上往往會使用穩(wěn)定得多的燃料，如廣泛用于姿態(tài)控制噴口的聯(lián)氨，比沖只有220，但是冰點2度，沸點114度，長期儲存起來就方便的多。

　　5點火

　　上文提到的偏二甲肼+四氧化二氮只要發(fā)生接觸就會直接燃燒，無需點火系統(tǒng)。聯(lián)氨更是只需要流過噴口前的一塊催化劑就可以自主分解燃燒。這種發(fā)動機啟動時只需要油泵開始工作即可。而液氫液氧發(fā)動機每次啟動都需要主動點火，這樣既增加了發(fā)動機的復雜程度，更多了一個可能失效的系統(tǒng)。