衛星燃料

衛星燃料就是在衛星發射到運轉過程中使用的燃料。 常用的液體氧化劑有液態氧、四氧化二氮等，燃燒劑由液氫、偏二甲肼、煤油等。現代液體燃料火箭是美國人戈達德搞出來的：第一個是採用液氧-煤油。

基本介紹

• 中文名：衛星燃料
• 燃料條件：液體燃料
• 系統組成：由推力室、推進劑供應系統等組成
• 推進劑：四氧化二氮-肼類液氧-煤油等

燃料特點

發射衛星的火箭燃料要體積小，重量輕，但發出的熱量要大，這樣才能減輕火箭的重量，使衛星快速地送上軌道。液體燃料放出的能量大，產生的推力也大；而且這種燃料比較容易控制， 燃燒時間較長，因此，發射衛星的火箭大都採用液體燃料。

燃料系統組成

系統組成

液體火箭發動機是指液體推進劑的化學火箭發動機。氧化劑和燃燒劑必須儲存在不同的儲箱中。液體火箭發動機一般由推力室、推進劑供應系統、發動機控制系統組成。推力室是將液體推進劑的化學能轉變成推進力的重要組件。它由推進劑噴嘴、燃燒室、噴管組件等組成。推進劑通過噴注器注入燃燒室，經霧化，蒸發，混合和燃燒等過程生成燃燒產物，以高速（2500一5000米/秒）從噴管中衝出而產生推力。燃燒室內壓力可達200大氣壓（約200MPa）、溫度3000～4000℃，故需要冷卻。推進劑供應系統的功用是按要求的流量和壓力向燃燒室輸送推進劑。

輸送方式

按輸送方式不同，有擠壓式（氣壓式）和泵壓式兩類供應系統。擠壓式供應系統是利用高壓氣體經減壓器減壓後（氧化劑、燃燒劑的流量是靠減壓器調定的壓力控制）進入氧化劑、燃燒劑貯箱，將其分別擠壓到燃燒室中。擠壓式供應系統只用於小推力發動機。大推力發動機則用泵壓式供應系統，這種系統是用液壓泵輸送推進劑。發動機控制系統的功用是對發動機的工作程式和工作參數進行調節和控制。工作程式包括發動機起動、工作。關機三個階段，這一過程是按預定程式自動進行的。工作參數主要指推力大小、推進劑的混合比。液體火箭發動機的優點是比沖高（250～500秒），推力範圍大（單台推力在1克力～700噸力）、能反覆起動、能控制推力大小、工作時間較長等。

火箭推進劑

液體火箭的推進劑，其中比較常用的有：四氧化二氮-肼類（偏二甲肼，一甲基肼，肼），液氧-煤油，液氫-液氧等。

四氧化二氮-肼類推進劑被廣泛使用，特點是可存儲，並且四氧化二氮和肼接觸後可以自燃，可靠性高。四氧化二氮-肼類最早用於戰略飛彈，後來也用於航天的運載火箭。

蘇聯的SS-7，現役的SS-18，SS-19，美國的大力神，中國的長征1，2，3型火箭，俄羅斯的質子火箭，阿利亞娜1，2，3，4型火箭都在下面級使用了四氧化二氮-肼類推進劑。

四氧化二氮-肼類的比沖還可以，約230秒左右，但是推進劑和燃燒產物的毒性都很大，各國新一代的運載火箭都不再使用。

液氧(煤油)火箭發動機

談先進的液氧(煤油)火箭發動機張貴田航天技術是現代科學技術中發展最快的尖端技術之一，是一個國家科學技術水平和國民經濟實力的綜合反映，是一個國家科學技術水平的重要標誌，亦是綜合國力的象徵。航天技術高度綜合集中了許多基礎科學和新技術，如數學、近代力學、自動控制、電子計算機、真空與低溫技術等，它的發展促進了一大批基礎科學和現代技術的發展，如新材料、空間物理、航天醫學、生命科學等。航天技術的發展、宇宙環境的套用導致了一系列出乎意料的技術革新。當今，一些已開發國家正在以大空間概念設計國民經濟未來發展的藍圖，把航天技術產業作為未來發展的一個戰略重點，認為它是發展各類高新技術產業的領頭技術，它能帶動一大批高新技術產業其它基礎產業的發展，推動和促進新工藝、新材料、新能源等技術的進步，航天技術對國民經濟的發展將起到“加速器”和“倍增器”的作用。

航天科技工業作用

航天科技工業的發展對推動解決我國面臨的人口與資源、環境與災害、通信與交通、教育與文化等重大社會問題起到了其它任何技術和產品不可替代的作用。同時，航天技術對國家的國防建設具有極其重要的意義，這一點已得到共識。目前戰略戰術飛彈、衛星導航定位、軍事測繪偵察、作戰指揮和通信等方面廣泛套用於國防建設，並取得了顯著效果。宇宙空間是現代軍事競爭的制高點，航天技術與防禦技術已很難分開，這在戰略威懾和現代化戰爭中表現得尤為顯著。

航天技術產生巨大效益的途徑

航天技術能夠產生巨大社會效益和經濟效益的主要途徑是通過套用衛星來實現的，而運載火箭扮演著極其重要的角色。在近40年的發展中，我國航天科技工業依靠自己的力量，研製成功了長征系列運載火箭，達到了全型譜的運載能力，並已成功將我國自行研製的通信、返回式遙感、氣象等套用衛星送到靜止、近地和太陽同步等不同的軌道，而且先後成功地為西德、澳大利亞、瑞典、法國、美國等國家發射衛星或其它有效載荷。我國的長征火箭成為世界發射市場的主要運載工具之一，昂首闊步地進行國際商業發射市場，使中國航天在國際航天界占有一席之地，並享有較高聲譽，顯示了社會主義中國的綜合實力(請參見圖1、表1a、表1b、表1c)。

存在不足

雖然我國航天技術取得了巨大的成就，引起了世人的矚目，但是應該清醒地認識到我們的不足。目前，我國現有的長征系列運載火箭是在戰略武器的基礎上演變延用而來的，其推進劑(偏二甲肼/四氧化二氮)毒性大、污染嚴重、價格高、性能低，其不足是很明顯的。美國、法國、前蘇聯等航天大國對於推進劑的毒性和污染問題高度重視。美國從1970年就禁止在本土上生產偏二甲肼，法國阿里安火箭所用的偏二甲肼一直從蘇聯購買，而且不在本土上發射(在法屬蓋亞那庫魯航天發射中心發射)；原蘇聯解體之前曾下令禁止使用偏二甲肼。隨著全世界對環境保護的日益重視，很可能在不久的將來全世界禁止生產使用偏二甲肼作為火箭推進劑。因為偏二甲肼毒性較大，損害人體的肝臟。尤其是四氧化二氮/偏二甲肼的燃燒產物，對人體損害更大，並較為嚴重地污染環境。從事使用該種推進劑發動機試驗的工作人員中60%有不同程度的肝病，普遍轉氨酶高。由於組織火箭發射時，由於N2O4泄漏已引起幾次傷亡事故，後果比較嚴重。長征運載火箭是當今世界可靠性、技術穩定性最好的運載火箭之一，但是近幾年來，長征火箭發射時有失利，並造成了不同程度的人員傷亡，其推進劑毒性大和污染嚴重問題已引起了我國各級領導的高度重視，也增加了參試人員的恐懼感。雖然發射失利未引起十分嚴重的後果，但參試人員“死裡逃生”、“後怕”的感覺仍然十分強烈。這給組織發射帶來了一定的困難。同時，由於推進劑價格偏高增加發射成本，進而使得長征火箭在國際發射市場中價格競爭力不甚明顯，也是一個比較突出的問題。如何提高運載火箭可靠性，降低發射成本，增強競爭力，是加速我國運載火箭產業化進程的關鍵所在。

火箭發動機

要想有先進的運載火箭，首先必須要有先進的動力系統——火箭發動機。火箭發動機是運載火箭的心臟，它的先進性突出表現在低成本、無污染、高可靠、高性能、使用安全、操作方便。液氧/煤油火箭發動機作為運載動力裝置的優越性在於:一是煤油作為常溫推進劑，使用極為方便， 安全性好，而甲烷、丙烷、液氫為低溫推進劑，不好貯存，運輸、加注和操作都不方便，泄漏後易起火爆炸，特別是液氫很容易泄漏。二是煤油價格便宜，每千克煤油的價格只有液氫的1/100和偏二甲肼的1/30， 可以較大幅度地降低發動機的研製成本和運載火箭的發射費用。發射一顆20T低軌道的有效載荷， 如用液氫/液氧和四氧化二氮/偏二甲肼組成的二級半方案推進劑費需3000萬元，而用全液氧/煤油方案只需推進劑費100萬元。 三是液氧/煤油組合密度比沖高，是理想的下面級(助推級和芯一級)發動機，稍作改進之後亦可作為比較理想的上面級發動機。四是我國煤油資源豐富，貯量極大，可滿足長遠的需要。我國克拉瑪依油田開採的煤油是低凝點環烷基中質原油，完全符合火箭推進劑用煤油標準， 現已查明貯量在5億噸以上，按每年200萬噸開採量計算，可連續開採50年以上，同時我國黑虎山、遼河、勝利等油田符合要求的原油貯量也是豐富的。經各種研究試驗和兩次液氧/煤油發動機熱試車的成功，充分說明了國產煤油能完全滿足使用要求。五是使用液氧/煤油發動機可完全消除四氧化二氮/偏二甲肼有毒且污染環境的嚴重不足。六是液氧/煤油發動機可實現運載火箭模組化積木式設計，可用不同組合完成不同載荷的發射任務，能形成我國新一代運載火箭系列。上述諸優點體現了先進動力系統的要求和研製方向。

前景展望

經過近10年關於大型運載火箭和天地往返運輸系統動力系統的技術論證、研究及關鍵技術攻關，國家決定研製液氧/煤油高壓補燃發動機，並已列入“863”計畫。 這無疑是提高我國航天技術水平的重大舉措，更是加速我國運載火箭產業化進程的英明之舉。

發動機先進性

近幾年，我一直參加並負責大型運載火箭和天地往返運輸系統動力系統的論證工作，以及“863”液氧/煤油發動機的預先研究和關鍵技術攻關工作。從近幾年的工作進展情況來看，液氧/煤油高壓補燃發動機在技術十分先進，代表當今液體火箭發動機領域的最高水平，其先進性體現在以下幾個方面:

先進的閉式循環系統

該系統能充分利用燃料的化學潛能。補燃發動機也稱為分級燃燒發動機，該系統先把推進劑的一組元在預燃室中進行富氧(或富燃)燃燒，生成低溫大流量的燃氣驅動渦輪，然後將工作過的燃氣引入燃燒室進行完全燃燒。它避免了開式循環系統渦輪排氣的能量損失(請見圖2:開式循環系統; 圖3:閉式循環系統)。閉式循環發動機可較大幅度提高燃燒室壓力，進而提高燃燒效率,僅採用閉式循環系統就能提高比沖6%以上。對二級半火箭來說，當起飛質量相同時，有效載荷能提高30%以上；假若有效載荷相同，運載火箭起飛重量可降低20%。使發射1kg有效載荷的全壽命周期費用降低約16%。用這種發動機的試驗機，於1995年12月～1996年1月進行兩次全系統高壓補燃發動機試車，其真空推力為85T，真空比沖為3500m/s，混合比K在2.34--2.6之間。

先進的燃燒室混合噴注器

在補燃循環系統中， 氧化劑全部在預燃燒室氣化後，再進入燃燒室進行燃燒，這樣就實現了氣液兩組燃燒，氣液燃燒大大改善了發動機的燃燒穩定性。為了進一步提高燃燒穩定性，用不同長度的噴咀把噴注器分隔成數個區域，氣液噴咀為同軸內混合式，其長度為1/4波長，形成幾百個小聲腔，能夠有效地衰減振盪；另外在燃燒室上游設定了整流裝置，把不規則的渦輪排氣進行整流後引入燃燒室。高壓補燃循環系統不僅有利於解決技術關鍵不穩定燃燒問題，而且還較大幅度地提高了燃燒效率。我們對噴注器進行了混合霧化試驗，並對發動機進行了熱試車，試驗結果表明: 高壓補燃循環系統的燃燒效率高達0.98。

先進而巧妙的燃燒室冷卻措施

幾十年來爭論不休的用煤油作為冷卻劑問題，經過大量的傳熱試驗及計算分析後表明:採取適當的措施是完全可以解決的。用克拉瑪依煤油作燃料進行了工作時間分別為10秒、50秒的兩次試車後燃燒室完好無損，光潔如初，說明用煤油作發動機冷卻劑是完全可行的，效果是相當理想的。在燃燒室的冷卻結構設計上採取了一系列措施: 一是在喉部以前設定了三條冷卻帶，其流量為推進劑總流量的2～3%，煤油進入燃燒室是貼壁向上旋轉式；二是燃燒室噴管從膨脹比為8的截面至圓柱段，用螺旋式冷卻槽，並且喉部附近的冷卻槽加工成波浪形，以便提高其冷卻效果，這樣可使內壁溫度降低40℃左右；三是低溫煤油從收斂段進入冷卻槽，首先冷卻熱流最大的喉部區域，這一舉措可得到40℃溫差的好處。除上述措施外，還在內壁上鍍鎳鉻防熱層可使氣壁溫降低30～40℃，以及選取熱傳導性能好的內壁材料等。上述措施經過熱試車，證明非常有效。

可靠的多樣密封

發動機各部件要承受－200℃～3500℃高低溫環境，壓力為150～500個大氣壓，在強烈的振動環境下，發動機的密封問題是一個致命問題。必須因地制宜地設計相應的密封結構。過去我們採用的是法蘭盤間加不同材料的墊片或“O”型圈結構，對於中、小直徑的管路接頭大多用球頭喇叭口結構。這種落後的密封結構遠遠不能滿足高可靠、高性能先進發動機的要求。為此，我們進行了多種密封結構的研究、試驗。低溫液氧的密封用“К” 和“Э”型環，高溫燃氣密封採用了碟型墊，高壓的液體和氣體密封採用球頭加導向，並在球頭上開槽，加不同材料的“O”型圈，還有適??氣壓也不泄漏。渦輪泵的密封更重要,為適應發動機多次工作，防止摩擦生熱減少磨損而採用了脫開式密封。渦輪不轉動時，為靜密封，當渦輪泵轉速達到預定值時，控制壓力使密封處脫開，這種先進的密封形式大大地提高了可靠性及其壽命。

先進的預壓渦輪泵

要使主渦輪泵正常工作，避免發生氣蝕，必須保證泵的入口有一定的壓力。如果泵入口壓力要求高，則火箭貯箱壓力必須提高，這樣就會增加運載火箭的貯箱結構重量。為了降低火箭結構重量、提高運載能力，必須儘量降低泵入口壓力。為此在主泵前設定了一套預壓渦輪泵。從主渦輪後抽取一股富氧燃氣作為氧化劑的預壓渦輪泵工質驅動渦輪，然後排入氧化劑主流中，從主煤油泵後引出的一股高壓煤油作為煤油預壓渦輪泵的工質吹動渦輪，然後排入預壓泵後的主流中。這種預壓渦輪泵系統設計思路新穎、結構巧妙，尤其是富氧的燃氣工作後又進入液氧的主流中，這種設計構思非常大膽，也十分巧妙。目前，預壓渦輪泵已經進行了大量液流冷試，並且成功地進行了發動機的熱試車，採用預壓泵結構可提高主泵前壓力6個大氣壓，而箱壓僅為2個大氣壓。

先進的彈性支承

發動機是整個運載火箭的主要振源。工作時發動機各零部件都承受著強烈的振動，有高頻，也有低頻，有些部位加速度高達幾十個g甚至幾百個g。因此，各零部件的連線和固定形式是一個十分關鍵的問題。如一個質量較大的閥門與直徑幾毫米或十幾毫米的導管連線，要承受激烈的振動，在設計上必須要有科學的方法。用完全緊固定支承的辦法防振效果不好，而採用適當的彈性支承，不僅降低了振動量級，而且還有利於解決零部件和發動機的共振問題。另外，為抗振防松，在擰緊各緊固件時，要塗膠。尤其在天地往返運輸系統及載人運載器上，由於運載器可靠性要求極高，抗振防松問題事關重大，必須確保萬無一失。為此，我們已進行了大量研究試驗。