液体推进剂发展现状*

王慧琴，张 静，段永亮，安良成

（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏银川750411）

推进剂是航空航天及国防领域（如战术导弹）的关键核心技术之一。从中国古代使用的黑火药火箭直到今天的各类航天飞行器与武器，如航天飞机、载人飞船、洲际导弹、反导武器、鱼雷、各类卫星以及大口径火炮、无人飞机，都离不开推进剂作动力源。

推进剂可分为固体推进剂和液体推进剂，液体推进剂是当今世界上使用最广泛、用量最大的推进剂[1]。其在航天器的研究、设计、试验和使用等各个阶段都占据重要地位。以液体推进剂作为动力源的液体火箭具有比冲大、推力可调、可多次点火启动和推力易控制等优点，在宇航领域有着独一无二的优越性。

1 液体推进剂分类

液体推进剂的分类方式较多，可按组元种类、组元保持液态的温度范围、用途以及组元的化学反应能力等进行分类，其中前两种是比较普遍的分类方法。

根据组元种类可分为单组元推进剂和双组元推进剂两大类，单组元推进剂通过自身分解或者燃烧进行能量转换并产生工质。双组元推进剂由氧化剂和燃料组成，氧化剂通常为液氧和液氟等，燃料通常为液氢、肼类和碳氢化合物等。二者分别贮存于不同的贮箱，并有不同的输送管路。根据氧化剂和燃料在直接接触时的化学反应能力，可将双组元推进剂进一步细分为自燃和非自燃两大类。在火箭发动机使用条件下，自燃推进剂中的氧化剂和燃料被同时喷入发动机燃烧室相互接触后，不需要点火系统，即可立即自燃点火进入额定工作状态，不仅简化了发动机的设计而且更加安全可靠。

根据组元保持液态的温度范围，推进剂可分为高沸点和低沸点推进剂。高沸点推进剂的组元沸点要求高于298 K（25℃），在地面使用条件下是液态，无蒸发损失。可在密封贮箱中贮存较长时间。在标准压力下，沸点低于298 K的推进剂为低沸点推进剂。

根据液体推进剂的贮存性能，可分为地面可贮存液体推进剂、空间可贮存液体推进剂和不可贮存液体推进剂。

2 液体推进剂的发展历程

人类最早使用的推进剂是固体推进剂，直到1900年以后，液体火箭才正式开始研究。俄国的齐奥尔可夫斯基和德国的阿伯尔等创立了火箭理论，建立了许多火箭构造和星际航行的新概念，并提出了近代液体火箭发动机的再生冷却夹套燃烧室以及用氧、氢、汽油、酒精、柴油等作推进剂，他们为液体火箭的最初发展做出了奠基性的贡献[2]。从1900年到现在，液体推进剂的发展历程大致可分为以下 4 个阶段。

2.1 液体推进剂的初步研究和应用时期

20世纪初直到1957年是液体推进剂的研究初期。这个时期推进剂的主要研究成果是中能低温推进剂（即液氧与煤油或酒精）和单元推进剂过氧化氢（括高锰酸钾催化剂）。该时期主要液体推进剂有氧化剂：液氧和硝酸（白烟和红烟硝酸）；燃烧剂：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；单元推进剂：过氧化氢、硝酸正丙酯和硝酸异丙酯等，液氧与煤油或酒精组合是其中比冲较高的液体推进剂，也是前苏联和美国用于发射第一颗人造卫星的推进剂[3-4]。

2.2 液体推进剂的大发展时期（1957～1969年）

1957～1969年可以说是液体推进剂的大发展时期。在这期间前苏联先后研制了以红烟硝酸/偏二甲肼、四氧化二氮/偏二甲肼或混肼作为推进剂的火箭发动机，用作洲际导弹的动力装置。美国对推进剂进行了全面研究，包括可贮推进剂（如硝基和氟基氧化剂、肼类燃料和胶体燃料 ）、高能低温推进剂（如液氟、液氢）、单元推进剂（如肼、有机二氟胺基化合物、Otto-Ⅱ）、三元推进剂（如液氧-铍粉-液氢）以及固液推进剂（如高氯酸硝酰与肼）。1967年7月16日，美国成功地发射了载人登月宇宙飞船。大发展时期推进剂的主要研究成果有高能低温推进剂液氧与液氢、中能可贮推进剂硝基氧化剂与肼类燃料、单元推进剂Otto-Ⅱ和肼。研究和应用的主要液体推进剂包括氧化剂：液氟、二氟化氧、液氧、四氟化肼、过氯酰氟、五氟化氯、三氟化氯、四氧化二氮、红烟硝酸和过氧化氢等；燃烧剂：液氢、二硼氢、五硼氢、肼、甲基肼、偏二甲肼、煤油、酒精和铝-肼胶体等[2-4]。

2.3 对现有液体推进剂性能改进和继续研究高能推进剂时期

20 世纪70年代至80年代，各国对推进剂的研究重点集中于改进已有的液体推进剂和继续研究高能液体推进剂。前者即性能改进，比如降低冰点和冲击敏感，提高沸点、密度、能量、贮存性能和热稳定性，改进缓蚀剂、冷却和燃烧性能等。后者主要从氧化剂和燃烧剂两方面进行研究[2-4]。

2.4 研发环境友好的绿色高能推进剂时期

20世纪80年代以后，对液体推进剂的研究主要集中于绿色高能推进剂。目前国内外使用和正在研制的无毒环境友好型液体推进剂有如下几类：

（1）过氧化氢基推进剂。过氧化氢是一种环境友好的液体推进剂，其分

解放出氧气和水，因此既可用作氧化剂又可用作单组元推进剂。过氧化氢基双组元液体推进剂包括过氧化氢/醇类、过氧化氢/叠氮胺类和过氧化氢/煤油等。过氧化氢/醇类双组元液体推进剂在国外的研究以美国海军空战中心(NAWC)为代表，目标是用于“海军导弹防御系统”(DACS)[5-6]。中国航天液体推进剂研究中心对过氧化氢//醇类双组元推进剂进行了深入的研究，已找到合适的添加剂和催化剂。研究发现过氧化氢/丁醇推进剂具有自燃特性，以及点火延滞期短，廉价、环保、高能、冰点低（- 58℃）、沸点高（117℃）和稳定等优点[6]。叠氮类有机化合物（如N (N3)3、HN(N3)2、NO2N3、B2H2(N3)4等）是一种带有叠氮基团（-N3）的新型含能材料。引入叠氮基既能提高推进剂的能量和燃速，又能降低推进剂的火焰温度，此外叠氮类有机化合物毒性低，具有优良的比冲性能和自燃性能，使用前景广阔。美国已成功地完成了过氧化氢/叠氮胺推进剂火箭发动机实验，并准备将叠氮推进剂用于空中导弹和洁净助推器[7]。

（2）一氧化二氮双组元液体推进剂，N2O 是一种无毒、安全绿色推进剂，可用于冷气推进、单组元推进、固液推进和电阻加热推进等推进系统模式。N2O 作为双组元推进剂在国际上应用较早，因自燃问题未解决，只能采用催化点火或火箭起动器点火，故不适用于脉冲方式工作的自控发动机。美国研制了N2O/丙烷火箭发动机（NOP），利用N2O催化分解作为丙烷的点火系统，并建议用N2O/丙烷推进剂组合替代目前空间推进系统使用的自燃推进剂、低温推进剂或固体推进剂[5-8]。

（3）硝酸羟胺（HAN）基单组元液体推进剂，此类推进剂为HAN、燃料（如醇类、硝酸三乙醇胺和甘氨酸等）和水的混合物。具有无毒、能量高、性能易调节、贮存和后勤供应方便、冰点低、密度比冲高、常压下不敏感、贮存安全、和无着火爆炸危险等优点。在NASA的综合高性能火箭推进技术（IHPRPT）项目支持下，美国研究的硝酸羟胺/甘氨酸/水体系（水含量 26.0%），已被选用在Spartan Lite卫星轨道上升系统上。我国从上世纪 90年代末开始对硝酸羟胺基推进剂进行探索性研究[9]。中国航天液体推进剂研究中心制备了 HAN 基单组元推进剂样品，与中科院大连化物所合作进行过多次发动机催化点火试验，并对催化剂进行了研究，积累了丰富的经验[5-10]。

（4）二硝酰胺铵（ADN）基单组元推进剂。ADN具有较高的吸湿性 ,可将其溶解于水中，再添加适当的燃料从而形成单组元液体推进剂。ADN不含卤素，具有能量密度高、高温稳定性好和毒性小等优点。此外燃烧时不产生烟，能大幅提高推进剂的能量，降低特征信号和减少环境污染，特别适用于低污染的航天飞机助推系统和空间运输动力系统。ADN最早由前苏联成功合成，但是很快引起了西方各国的兴趣，并进行研究。瑞典研究的代号为 LM P-101的ADN基单组元液体推进剂由61%（质量分量，下同）ADN、26%水和13% 丙三醇组成。火箭发动机试验表明这种推进剂具有点火快、能量高、无毒、燃烧完全且排气清洁、不污染环境等优点[11]。在ADN、水和燃料组成的三元混合物中，可选的燃料很多。燃料不同，ADN在水和燃料混合物中的溶解度不同，因此必须研究每种燃料在给定温度下对 ADN 溶解度的影响，进行推进剂配方试验研究，测试特性，研究点火和燃烧性能[5]。

（5）硝仿肼（HNF）基推进剂。与HAN和ADN基推进剂相比，HNF 作为纯氧化剂比冲最大，且制备方法比ADN简单，不吸湿，有较高的密度和熔点[12]。

（6）液氧/烃类无毒推进剂。烃类推进剂具有来源广泛、成本低廉、组合密度高、比冲性能高、无毒安全环保和耐储存性能好等优点。液氧/烃类推进剂主要包括液氧/煤油、液氧/甲烷、液氧/丙烷、液氧/液态甲烷和液氢等[13]。美国的宇宙神-5( Atlas-5)、德尔塔-2(Delta-2)、猎鹰-9( Falcon-9)、安塔瑞斯(Antares)和俄罗斯的联盟号(Soyuz) 、安加拉( Angara) 等系列运载火箭的芯级和助推级动力都采用了液氧/烃推进剂组合[13-16]。液氧/煤油推进剂是使用较为广泛的一类烃类推进剂。迄今为止，苏联和美国已成功研制了诸如土星-5运载火箭的F-1燃气发生器循环发动机和N–1运载火箭的NK–33补燃循环发动机等多种具有历史意义的液氧/煤油发动机，其中RD–170高压补燃循环发动机在一定程度上可称为液氧煤油火箭发动机技术水平的标杆[13-14]。中国长征五号运载火箭基于120吨级推力的YF–100液氧煤油发动机和50吨级推力的YF–77液氢液氧发动机研制，长征五号作为中国运载火箭更新换代、追赶国际先进水平的关键一步，在主要性能指标上已经达到或超过国际主流大型运载火箭的水平[17]。

3 结论与展望

随着航天技术的不断发展以及我国新一代运载火箭陆续投入使用，研发环境友好无毒无污染推进剂成为液体推进剂的发展趋势。液氧/烃类无毒推进剂是未来高性能低成本航天运输系统推进剂组合的发展趋势，其中高性能液氧煤油推进剂因具有密度高、常温可贮存、来源广泛、绿色低毒和安全等诸多优点得到了广泛应用，具有良好的应用前景。因而航天煤油需求量逐年增加，鉴于我国“多煤、少油、缺气”的能源特征，克拉玛依油田是我国航天煤油的唯一来源，一旦油井及贮运遭到破坏，存在无油可用风险。此外，克拉玛依油田地处西部边陲，与俄罗斯境内油田同处一个成油带，资源枯竭的风险也较高。为了保障液体燃料的可持续供应以及多渠道供应，开发新的航天液体燃料势在必行。