助力火箭，推动梦想——神秘的助推剂

吴亚男，冉学成，高娟娟，赵雯，王俊科，宗盈晓,＊，陈建成

1河西学院化学化工学院，甘肃 张掖 734000

2甘肃省河西走廊特色资源利用重点实验室，甘肃 张掖 734000

3南京大学化学化工学院，南京 210023

在古老的丝绸之路上，位于祁连山脚下的河西走廊，生存着朱雀家族，他们以飞天神女为家族的守护神，把“飞天”作为家族的使命。他们的家族在宋朝就把装有火药的筒绑在箭杆上，利用火药燃烧向后喷火使箭飞得更远。

到了20世纪，火箭已经成为飞向太空的飞行器，还可以运载气象卫星、航天飞船，成为人类探索太空的重要工具。火箭能升空，主要是助推剂的作用，助推剂主要的成分是燃料和氧化剂，还包含一些稳定剂、增塑剂，在发射火箭的时候，点燃助推剂，燃烧产生的大量高压燃气从发动机喷管高速喷出，所产生的反作用力，使火箭腾空而起，飞出地球[1]。

朱雀家族成立了蓝箭基地(LANDSPACE)，对火箭助推剂进行研究，目前的任务就是要找到更环保、更经济、更安全的助推剂。2023年7月12日，蓝箭基地的“朱雀二号遥二运载火箭”在酒泉成功发射。就在这一天，怀揣梦想的小朱雀带着激动的心情来到了基地，讲解员是志愿者张航，他是朱雀大学航天燃料专业的大三学生，今天他的任务不但是要给小朱雀普及火箭助推剂的知识，更重要的是激起他们对科学的向往和探索的兴趣。

1 汽油液氧第一飞

一进基地，在第一张展板前，看到了世界第一枚火箭的字样，张航为大家讲解道：“世界上第一枚火箭是由美国科学家罗伯特·戈达德在马萨诸塞州的奥本发射升空的，飞行延续了约2.5 s，最大高度为12.5 m，飞行距离为56 m。”话音未落，小朱雀就疑问连连：

“只有12 m高？”

“飞行了56 m远？”

“时间好短呀！”

张航听见小朱雀的议论笑着说：“这枚火箭采用的是汽油和液氧作为助推剂，燃烧的方程式如图1所示，需要安装打火装置，发动机的性能和携带的燃料都不是很充分。戈达德一生热爱火箭技术，他设计的小推力火箭最高升空约2 km，获得了214项专利，也是他计算出火箭必须具有每秒7.9 km的速度才能克服地球引力[2]。”小朱雀有点不好意思，停止了议论，脸上显出崇拜的表情。

这时，有一个小朱雀小声说：“可是，2 km也还是不高啊，连月亮都到不了……，能不能多带些汽油？”

张航给了他一个鼓励的眼神，告诉他们：“汽油很容易挥发，用来做火箭燃料是不安全的，所以后来的火箭都不用汽油了。煤油不容易挥发，是可以做火箭燃料的。”

2 液氧煤油有实力

说着就来到了俄罗斯质子号系列火箭的展示区，张航指着第二张展板告诉大家，俄罗斯的航天技术力量很雄厚，质子号火箭有很多型号，其中，BlockDM采用煤油和液氧作助推剂，煤油沸点高，不容易挥发，运输很方便，反应按照图2的方程式进行，反应产生的推力比汽油释放的推力大，而且，煤油价格适中，每吨的价格在6000元左右。

图2 煤油与液氧的燃烧反应方程式

这时候，好学的小朱雀又提问道：“空气中就有氧气，为什么要用液氧？”

这一次张航没有急着回答，而是反问他们：“你们刚才不是说，要让火箭多带一些助推剂，要飞得更高更远吗？”小朱雀恍然大悟，将空气液化分离得到的液氧如果装入氧贮箱内，同样体积的容器可以容纳更多的液氧。这时，张航又告诉他们：“燃料和氧化剂都是液体，方便储存，而且也有利于释放，只要在容器上安装开关，就能以气体形式释放，还可以控制释放的量和速度，然后利用点火装置点燃。”

小朱雀都点着头，这时旁边有一位朱雀叔叔参观者向张航提问：“以前用煤油灯的时候，煤油燃烧会有黑烟放出来，这会不会影响火箭？”

这句话引起了一个小朱雀的兴趣，指着第一张和第二张展板前面两个展板上的方程式说：“煤油燃烧产生的都是气体，并没有黑色的物质，那是什么？”

另外一个小朱雀不等张航回答，就跃跃欲试地说：“那是碳，是不完全燃烧的产物！”

张航赞同地说道：“是的，就是碳！煤油液氧助推剂有很多优点，推力也很大，我国的‘长征五号运载火箭’就是使用这种助推剂成功进行了‘嫦娥计划探月工程’，但是这种助推剂会造成发动机和管道积碳，不利于发动机的重复使用[3]。”

小朱雀担忧了，他们知道这样会增加火箭的运行成本。张航觉得今天的小朱雀们太可爱了，是爱科学的好宝宝，他赶快指着另一边的第三张展板说：“科学家们已经找到了更加清洁的燃料了。”

3 氢氧结合变绿能

小朱雀迅速集中到第三张展板前这个展区，这里展示的是长征五号运载火箭，使用的助推剂就是液氧和液氢，张航耐心地给大家介绍：“大家看图3这个方程式，液氢燃烧后的最终产物只有水蒸气，没有污染，液氢的密度是70.85 kg∙m-3，要比一般液体燃料(汽油)轻40%左右，但是它的热值很高，是汽油的3倍。产生的推力很大[4]。”

图3 液氢与液氧的燃烧反应方程式

小朱雀也很高兴，这样不仅解决了发动机的清洁问题，而且还可以让火箭携带更多的燃料。可是没高兴多大一会儿，张航就抛出了一个问题：“你们知道氢气是怎么得来的吗？”小朱雀们迅速回忆化学课上所学的知识，有的说水煤气法，有的说电解水，有的说电解食盐水，张航以电解水制氢气为例告诉大家，这种方法消耗的电能很大，而且很容易跟氧气混合，得到的氢气不纯。目前，作为火箭燃料的液氢大部分是通过将炼油厂和化肥厂的驰放气分离，然后将分离的氢气压缩得到，成本高，而且，液氢是低温液体，常温会沸腾；会使储存液氢的金属罐发生“氢脆”，还会发生爆燃；液氧也是低温液体，这些都为液氢液氧助推剂的储存和灌装带来了很大的困难[5]。

4 偏二甲肼占市场

这时，张航领大家来到一个很大的展板，这里出现的火箭有“阿里安”运载火箭、“长征二号”“泰坦火箭”，看着这些名字，小朱雀兴奋了起来，这可是把航天员送入太空的火箭啊！大家都想知道，它们的助推剂是什么。张航指着图4展示的化学方程式告诉大家，这一种助推剂中的燃料叫做偏二甲肼，氧化剂是四氧化二氮。

图4 偏二甲肼和四氧化二氮的燃烧反应方程式

这时张航神秘地问大家：“你们看看图4这个方程式和前面的有什么不同？”

小朱雀们热烈讨论，还有的跑到前面的展台去做对比，终于，有一个小朱雀说：“这个反应的条件不需要点火！”

张航说：“是的，用偏二甲肼做燃料，只需要加入四氧化二氮，不需要在发动机上加装打火器就能实现燃烧，产物的气体量大，在燃烧的高温下，能产生巨大的推力，而且不会造成发动机和管道污染。”

小朱雀们已经熟悉张航的套路，不再盲目高兴，提问道：“这种推进剂是不是也有缺点？”

还没等张航回答，小朱雀就从展板上找到了答案，指着展板上的剧毒符号，一本正经地说：“我知道，偏二甲肼有剧毒，有腐蚀性[6]。”

“有毒？那为什么还要用呢，而且那么多火箭都在用？”

张航赶快安抚大家：“咱们的化学品都有规定的储存条件和安全操作的规范，只要严格遵守，就会安全的。”

然后又补充说：“这种助推剂是常温液体，方便储存和携带，我国的空间站就是使用这种燃料，而且使用这种燃料的发动机很稳定，长征二号火箭发射了15次，都没有出现发动机故障，是我国唯一的载人火箭[7]。”

听到这里，小朱雀知道了这些助推剂都能用来发射火箭，但是，各有优点，也各有缺点，没有一种是完美的。那有没有既安全，又便宜的助推剂呢？

看着小朱雀们苦恼的表情，张航提高了声音：“大家别忘了，今天，咱们蓝箭发射了朱雀二号，它的助推剂可是很棒的奥！”

5 液氧甲烷展神威

大家激动地来到最后一个展板前，这里是“朱雀二号”的展区，张航的声音带着自豪：“朱雀二号火箭用的助推剂是液氧甲烷，甲烷就是咱们家中做饭用的天然气，咱们国家的天然气储量丰富，所以价格便宜，将甲烷液化，可以和液氧一起作为推进剂，在火箭升空时，把液态甲烷和液氧的开关打开，让它们在燃烧室混合点燃，反应就会按照图5的方程式进行，反应释放的能量就可以驱动发动机了，而且，它们的混合比例也可以通过开关调节。”

图5 液氧和甲烷的燃烧反应方程式

“为什么要调节呢？”小朱雀提问道。

“调节甲烷和氧气的比例，是为了让它们充分燃烧，充分燃烧的产物都是气体，而且没有污染，如果不充分燃烧，也会有积碳问题的。”张航回答。

小朱雀露出明白了的表情，说：“这样的话，液氧甲烷的发动机就可以回收后循环再使用，大大节约了成本，而且甲烷也不贵，液氧的获取也很方便，朱雀二号在成本上占了很大的优势。”

另外一个小朱雀说：“还没有毒，很环保！”

张航赞同地点头，继续给大家讲解：“优点还不止这些，液态甲烷和液氧的沸点分别是-161 °C和-183 °C，温度接近，储存和维护的成本也低；液态甲烷的密度是0.716 g∙mL-1，密度比较大，装液态甲烷的罐体积就较小，对于火箭来讲，就是自重减轻了，这也是个很大的优势[8]。”

“真好！”小朱雀们由衷地赞叹。

张航又一次拔高了声音：“朱雀二号是全球首枚成功入轨飞行的液氧甲烷火箭，液氧甲烷推进剂和发动机以及很多的材料、工艺都是由咱们蓝箭基地研究开发成功的，朱雀二号的成功发射标志着咱们中国运载火箭在新型低成本液体推进剂应用方面取得了重大突破！”

听到这里，小朱雀们不由自主地热烈鼓掌，小脸也激动得通红，大家都在为蓝箭基地的发射成功祝贺！

这时，张航的语气变得沉着了，他告诉小朱雀，尽管液氧甲烷作为推进剂有着显著的优势，但是，液氧甲烷的发动机却面临很多的挑战，比如冷却方式、气体混合比、气体喷注器、复合材料的选择等很多技术问题需要优化[9]。在2022年12月14日，朱雀二号的第一次发射就因为二级游机异常关机故障发射失败了。

“但是，蓝箭基地的科学家顶住了压力，通过反复的试验，积累了大量的数据，改进再改进，优化再优化，终于实现了成功的发射，科学家的钻研精神值得我们学习！”张航的语气再一次激昂起来。

6 尾声

带着兴奋的心情，小朱雀又在张航的带领下了解了甲基肼、1,2-二甲基肼等火箭燃料，还了解到助推剂中还要加入液氮、液氦用以保护和吹扫，还有氨等冷却剂……，收获满满。参观快要结束了，张航感谢小朱雀的虚心好问，小朱雀也感谢张航为大家介绍各种火箭助推剂的比较，但是，小朱雀又产生了很多新的疑问。

“助推剂在太空的低温中能不能稳定？”

“一枚火箭能不能使用两种助推剂？”

“空间站里的助推剂怎么补充？”

“火星上也有甲烷，是不是可以实现火星旅行？”

“太空中氢元素的含量很高，空间站可不可以捕捉太空中的氢来使用？”

“为什么火箭发射时有的火焰是蓝色的？有的是红色的？”

“火箭的材料是什么？为什么不怕火？”

……

一个又一个大胆的想法让张航招架不住，他暗暗下决心，继续努力学习，毕业后，加入蓝箭基地，为家族的使命和国家的强大尽自己的绵薄之力。

他向小朱雀们大声说：“小朱雀，宇宙中还有很多奥秘需要我们去探索，大家要努力学习，以后一定能找到更好的推进剂，我看好你们奥！”

小朱雀都笑了，笑声中有欢乐，有憧憬，有希望……