火箭推进剂

2023年12月25日发(作者：李必成)

火箭推进剂

ROCKET PROPULSION

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序号：138

所在院系：求是学院

姓名：陆元超 学号：3120100714 序号： 138 所在院系：求是学院

摘要：火箭是由中国人发明的，中国是古代火箭的故乡。由中国古代科学家最早运用火药燃气反作用力原理创制的火箭，在当代科学精英的手中发展成为运载飞船升空的大力神，这是我们每个炎黄子孙都引以为自豪的辉煌成就。 火箭（rocket）是以热气流高速向后喷出，利用产生的反作用力向前运动的喷气推进装置。它自身携带燃烧剂与氧化剂，不依赖空气中的氧助燃，既可在大气中，又可在外层空间飞行。现代火箭可作为快速远距离运输工具，可以用来发射卫星和投送武器战斗部（弹头），也可以用来推动飞机。作为现代战争和航天的最主要的工具与武器的之一，研究火箭就等于研究增强国家综合国力的方法。同时研究火箭的关键之一——火箭推进剂也就在其中起着无法比拟的重要作用。因此对火箭推进剂的研究就是及其关键的了。当然火箭推进剂的研究也起着是火箭打击精度提高以及提高火箭的飞行速度和飞行里程。

1.火箭推进剂的介绍

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1.1火箭推进剂的概念：又称“火箭燃料”或“火箭发射药”。是用来给火箭提供动力、为火箭或导弹提供燃料、通常情况是化学物质的高能可燃性物质。

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1.2火箭推进剂的原理与组成：火箭推进剂一般以某种形式大量存储在推进剂容器里，反应过后的大量气体产物被用来从火箭发动机以流体喷射物的形式射出，依据牛顿第三定律为物理原理，以产生推力作为推进。燃料推进剂往往与氧化剂推进剂燃烧产生大量非常热的气体。这些气体膨胀并从喷嘴喷出，不断加速，从火箭底部冲出产生推力直到火箭达到极高的速度。例如肼的燃烧：N2H4+O2=N2+2H2O,产物都是气体。有时推进剂不会燃烧，但可以从外部加热都达到更好的效果。对于较小的推进器，使用压缩气体通过推进喷嘴喷出以推动飞船。 推进剂的主要组成分为氧化剂和燃烧剂，其中还有催化剂和纯化剂。 当然随着科技的进步也出现了一些特殊的推进剂。例如，离子推进剂，核能推进剂。

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1.3火箭推进剂的分类(包括优缺点)：按照物理形态：有液体推进剂，固体推进剂和混合型推进剂。还有一些比如惰性推进剂，离子推进剂也用于火箭上。按化学性质分有无机推进剂，有机推进剂。这里只从物理形态进行讨论。

1.3.1液体推进剂：液体推进剂的燃料和氧化剂都是液态的保存在火箭的燃料箱中的。可分为单元和二元两类。单元推进剂可以是一种液体物质，也可以是一种互相溶解的多成分液体混合物；二元推进剂包括液体氧化剂和液体可燃物，它们在燃烧前分开贮备。优点:比冲较高（比冲是指单位重量推进剂所产生的总冲量，以𝐈𝐭𝐩=𝐈𝐖𝐩，其中𝐖𝐩——燃烧掉的推进剂质量），工作时间较长，发动机可重复使用，成本低廉，精度高；缺点：发射前要加注，通常情况都有剧毒，设备复杂。

1.3.2固体推进剂：固体推进剂由9油灰或橡胶状的可燃材料构成，是燃料和氧化剂的混合体。当然，固体推进剂有很多种，例如：双基推进剂（由高分子炸药和爆炸性溶剂，再混入少量附加物溶解塑化而制成的）、复合推进剂（由充分粉碎的无机氧化剂，和被用作燃料的高分子胶粘剂均匀

包覆，并加少量附加物而组成聚集态为异相）、复合双基推进剂（ 介于双基和复合中间类型的火药）。。优点：结构简单，操作简便，工作可靠，成本较低，使用安全，旋转稳定；缺点：比冲较低，推力向量不易控制，工作时间短，稳定燃烧的临界压力高等。

1.3.3混合型推进剂：此种火箭推进剂中既有固体推进剂，又有液体推进剂，是一种为了弥补对方缺点而加大优势互补的推进剂。其中，是用固体的燃料而用液体的氧化剂（此类暂时使用较少，但其中的过氯酸铵加铍和液氧有发展前途）。

1.3.4惰性推进剂：此类推进剂来自非化学能源或来自外部的能源。例如太阳能，空气，水等。这种推进剂节能环保，但同时性能较低。

1.3.5离子推进剂：其原理是将气体电离，然后用电力场将带电的粒子加速喷出，以其反作用力推动火箭。这种推进剂最为经济，比冲远大于其他类型的推进剂，但也有缺点它的推力很小，需要长时间加速，只能在真空环境下。

 1.4火箭推进剂的特点：高的热值以获得高的比推力，低的燃烧产物分子量，高的单位体积燃烧热以减小火箭尺寸，高的燃烧产物比热，燃烧产物应处于气态以保证热能有效地转化为动能，高的自燃温度以防意外着火，化学和物理的稳定性高，足够的对机械冲击的稳定性，不易突然爆炸。；⑨经济成本低、原料来源丰富；⑩若为固体推进剂，还应有良好的力学性质，有较大的抗拉强度和延伸率

 1.5火箭推进剂的现状：在当今的种种推进剂系统中，只有少数具有高性能

的特征的。其中，液体推进剂主要是硝基类氧化剂（四氧化二氮，红发烟硝酸）和肼类燃烧剂（偏二甲肼，混肼）：例如：混肼-50(类似煤油)作燃烧剂，四氧化氮作氧化剂（这也是当今最普遍的液体推进剂），液氢做燃料，液氧做氧化剂。这种组合是当前最有潜力的组合（但由于储存问题不能大量使用）。固体推进剂主要向高能化方向研究，例如：高能量密度材料，超高能量密度复合材料。同时，也向金属燃烧剂（例如：硼，铝，三氢化铝等）和含能粘合剂体系（例如含能粘合剂，含能增塑剂）方向研究。

2.火箭推进剂的起源与发展

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2.1起初的火箭推进剂 ：20世纪初前，最早的火箭推进剂是固体推进剂，即黑药。黑药是木炭,硫磺和硝酸钾的混合物。这种组合从开始以来很少有所改变。最初是粉末状的，后来变为粒状。1930年后，英、德两国将此类双基火药挤压成管。1926年第一枚使用液氧和煤油二元推进剂的液体火箭发射成功。

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2.2火箭推进剂的发展：在发展过程中由于各自的特点导致液体推进剂主要用于运载火箭，而固体推进剂主要用于战略火箭。

2.2.1运载火箭：50年代，苏联发射第一个人造地球卫星，仍使用液氧和煤油。60年代的阿波罗土星计划，这些大推力火箭有些使用液氧、液氢、四氧化二氮和混肼的液体推进剂。70年代后，使用液体推进剂发射各种类型的空间飞行器，并把单元推进剂用于空间姿态控制。1984年，我国的长征三号采用液氧/液氢推进剂系统。

2.2.2战略火箭：固体推进剂：二战期间M-13火箭筒成功采用了双基推进剂，同时，美国研究成功了由过氯酸钾和沥青组成的固体复合推进剂，极大推动了固体火箭的发展。中国也于1958年制造了复合双基推进剂，主要组分是硝化棉、硝化甘油、过氯酸铵和铝粉等。50年代，创用高分子聚氨酯等和

1962年创用端羟基聚丁二烯，制成固体推进剂。20世纪80年代以后，产生了系列高能物质，包括粘合剂，氧化剂，增塑剂和添加剂等。近年来，固体推进剂主要向高能化方向研制。液体推进剂：：在1942年V-2火箭使用液氧和酒精二元推进剂。70年代后，使用液体推进剂装备远射程大弹头的战略导弹

3.火箭推进剂在现代军事和航天上的应用

 军事：军事战略火箭现在国际上通常情况下会用高能固体推进剂发射。

 航空：在发射运载火箭时通常会使用多级火箭的方法，因此，从各方面考虑一般会使用固体推进剂作为一级火箭的燃料，而二、三级火箭通常不使用固体推进剂，只是用液体推进剂。还有宇宙飞船中用的燃料也通常用液体推进剂。

4．中国的运载火箭推进剂的发展历程及未来发展

发展历程：我国自从1955年钱学森归国就开始研究火箭及火箭推进剂。1970年，长征一号使用了硝酸-27s+偏二甲肼的液体推进剂；1971年长征一号D使用

了硝酸-27s+偏二甲肼；四氧化二氮+偏二甲肼的液体推进剂；1974~1999年长征二号系列、1972年风暴一号和长征四号系列火箭使用了四氧化二氮+偏二甲肼的液体推进剂；1984~2008年长征三号系列使用了四氧化二氮+偏二甲肼；液氧+液氢的液体推进剂。

未来发展：在开发中的长征五号火箭液氧+煤油；液氧+液氢的液体推进剂；在开发中的长征六、七号将用液氧+煤油液体推进剂为燃料；以及正在论证中的长征九、十一号将用液氧+煤油作为燃料。

长征火箭系列

5.常用的火箭推进剂

5.1液体推进剂：（1）燃烧效率很高多用于航天飞机及运载火箭末级昂贵、不易储存的液氢(燃料)液氧(氧化剂)。

（2）燃烧效率一般多用于中型火箭价格适中、较易储存的肼-50(燃料)四氧化二氮(氧化剂)。

（3）燃烧效率一般多用于火箭第一级价格适中、不易储存的RP-1高精炼煤油(燃料)液氧(氧化剂)。

（4）燃烧效率一般自燃、多用于卫星价格相对便宜、腐蚀性极强的肼(燃料)四氧化二氮(氧化剂)。

（5）过氧化氢(H2O2)是一种主要用来提供氧化剂及助燃剂的液体材料，由于产物是水（H2O)非常绿色环保。

5.2固体推进剂：双基/AP/HMX/AL、聚氯乙烯/AP、聚氯乙烯/AP/AL、聚硫橡胶/AP、聚硫橡胶/AP/AL、聚氨酯/AP/AL、PBAN/AP/AL、PBAA/AP/AL、HMX/AP/AL（其中AP指的是一种含氧量较高的高氯酸胺又叫过氯酸胺、AL指的是铝、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进剂、HMX指的

是奥克托金）。

6.结论与前景

6.1结论：在对火箭推进剂研究中，实际上就是国家间的最强武器和未来战略之间的博弈。无论从过去和当下的经验看来这无疑都是成立的。实际上火箭推进剂就是火箭的核心，人们在研究火箭推进剂就是研究火箭。研究如何提高火箭的打击精度、打击范围、飞行速度以及实用性和降低火箭的负载、成本。同时，考虑到材料的可用性以及丰富度。

6.2前景：在未来的战场将主要是在太空，而想进入太空首先要有火箭，这也决定了火箭推进剂在未来的巨大作用。如果研究出好的火箭推进剂等于研究出好的、高性能的火箭，从而拿到在太空战场上的主导权，也就占尽优势，获得最大的利益。因此火箭推进剂的前景是非常好的！

然而从现在火箭推进剂发展的趋势来看，主要有以下几个研究的热点。1、液氢液氧：这种推进剂具有很高的比冲且燃烧产物清洁无污染。但目前主要在其储存方面和制备方面存在问题。我们相信未来定有新的高效储存方法以及类似太阳能发制备。2、离子推进剂：此种推进剂推力小，但相信为阿里肯定能大放异彩。3、自由基：这在现在只是一种猜想，若能够研制出来将会大大加快火箭的速度和降低火箭的成本。在研制中要考虑产生自由基的方法，自由基浓缩的程度，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问题。4、原子核推进：这种推进剂是建立在核聚变和核裂变基础上的，就是将原子核的能量利用起来。效率高且技术成熟后花费低。在研制过程中要考虑核炉和反应的控制等问题。5、高能固体复合推进剂：这种推进剂也是研究的热点。6、光子推进：这是一种从理论上现在成立的推进剂，此类推进剂效率极高、工作流体以光速排出。

参考文献

（1）周汉权 《单组元液体火箭发动机设计和研究 》 航天科技图书出版社

（2）董师颜 孙思诚 张兆良 徐万赋 《 固体火箭发动机原理 》 中国科学出版社

（3）张斌 毛根旺 王赫 王天宝 刘超 高能复合固体推进剂的研究进展 《材料导报：综述篇》 2009年4月（上）第23卷第4期

（4）王恒生 张国军 程艳婷 杨振华 固体推进剂中新型含能材料研究进展 《华工科技》 2012,20（1）：76—80 SCIENCE﹠TECHNOLOGY IN CHEMICAL INDUSTRY

（5）F.A.华伦 《火箭推进剂 》 国防科技出版社

（6） (美国)B.克特 （美国）D.S.埃佛雷德 张 清 译 《火箭推进剂手册》 国防工业出版社

（7）中国科学技术情报研究所 《火箭推进剂讲话》 化学工业出版社

（8）（苏联）A.B.谢列金 光华 译 《液体火箭推进剂》 国防工业出版社

（9）研究生：万方 导师：谭玉山、王裕文 复合固体火箭推进剂燃面层温度场测试及其热辐射的红外研究 西安交通大学硕士学位论文

（10）M.E.列兹尼科夫 著 周静方 译 航空和火箭燃料及润滑材料 中国工业出版社