草稿:RP-1煤油
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RP-1（也稱為火箭推進劑-1或精鍊石油-1）是一種高度精煉的煤油，外觀類似於航空煤油，用作火箭燃料。RP-1提供比液氫(H2 )更低的比沖，但是更加便宜，且在室溫下穩定，並且具有更低的爆炸危險。 RP-1的密度遠大於液氫，因此具有更高的能量密度（儘管其比能量較低）。 RP-1還比肼擁有更小的毒性和致癌風險。
使用和歷史[編輯]
RP-1是電子號運載火箭、 聯盟系列運載火箭 、 天頂系列運載火箭、三角洲系列運載火箭、Atlas、獵鷹9號和獵鷹重型運載火箭、Antares和Tronador II火箭做第一級助推器的燃料。它還為能源號、泰坦一號、土星一號和土星五號的第一級提供動力。印度空間研究組織 (ISRO)也在為其未來的火箭開發RP-1燃料發動機。 [2]
發展[編輯]
第二次世界大戰期間和戰後不久，醇類（主要是乙醇，偶爾是甲醇）通常用作大型液體燃料火箭的燃料。它們的高汽化熱可以防止再生冷卻發動機熔化，特別是考慮到酒精通常含有百分之幾的水。然而，人們認識到碳氫燃料會提高發動機效率，因為碳氫燃料的密度稍高，燃料分子中缺少氧原子，並且水含量可以忽略不計。無論選擇哪種碳氫化合物，它都必須取代酒精作為冷卻劑。
許多早期火箭都燃燒煤油，但隨着燃燒時間、燃燒效率和燃燒室壓力的增加，發動機質量下降，從而導致發動機溫度難以控制。用作冷卻劑的粗煤油容易發生離解和聚合。氣泡形式的輕質產物會導致氣穴現象，而蠟沉積物形式的重質產物會堵塞發動機中狹窄的冷卻通道。由此產生的冷卻劑不足會進一步提高溫度，並導致更多的聚合，從而加速故障。該循環迅速升級（即熱失控），直到發生發動機壁破裂或其他機械故障，並且即使整個冷卻劑流由煤油組成，這種循環也會持續存在。 20世紀50年代中期，火箭設計者求助於化學家來配製耐熱碳氫化合物，成果就是RP-1。
20世紀50年代，液氧成為與RP-1 一起使用的首選氧化劑，[3]儘管也嘗試使用了其他氧化劑。
餾分和配方[編輯]
首先，硫和硫化合物在高溫下會侵蝕金屬，甚至極少量的硫也會協助聚合。因此，硫和硫化合物的含量被控制在最低水平。
不飽和化合物（烯烴、炔烴和芳烴）也保持在較低水平，因為它們在高溫和長時間儲存下容易聚合。當時，人們認為煤油燃料導彈可能會儲存數年等待激活。這一功能後來被轉移到固體燃料火箭上，但飽和碳氫化合物的高溫優勢仍然存在。由於烯烴和芳烴含量較低，RP-1的毒性低於各種噴氣燃料和柴油，並且遠低於汽油的毒性。
選擇或合成了更理想的異構體，減少直鏈烷烴的數量，有利於更多數量的環狀和高度支化的烷烴。正如環狀和支化分子可以提高汽油的辛烷值一樣，它們也可以顯着提高高溫下的熱穩定性。最理想的異構體是多環化合物，例如梯烷。
相比之下，煤油的主要應用（航空、供暖和照明）與熱分解的關係較小，因此不需要對其異構體進行嚴格的優化。
在生產過程中，這些等級經過嚴格加工，以去除雜質和副餾分。人們擔心灰燼可能會堵塞燃油管路和發動機通道，並磨損閥門和渦輪泵軸承，因為它們是由燃料潤滑的。稍微過重或過輕的部分都會影響潤滑能力，並且可能在儲存和負載期間分離。其餘烴類的質量和碳差不多。由於缺乏輕烴，RP-1的閃點較高，火災危險性比汽油低。
總而言之，最終產品比普通煤油貴得多。任何石油經過充分提煉後都可以生產出 RP-1，儘管現實世界中的火箭級煤油來自少數具有高質量基礎油田，也可以人工合成。這一點，加上與其他石油用戶相比，利基市場的需求相對較小，導致RP-1的價格高昂。 MIL-R-25576[4]涵蓋了RP-1的軍用規格，NISTIR 6646則擁有了RP-1的化學和物理特性[5]
在俄羅斯和其他前蘇聯國家，兩種主要的火箭煤油配方是T-1和RG-1。密度略高，0.82到0.85 g/mL，而RP-1為0.81 g/mL。在很短的一段時間內，蘇聯通過超級冷卻火箭燃料箱中的煤油實現了更高的密度，但這部分違背了使用煤油而非其他超冷燃料的目的。[需要解釋][需要澄清]就聯盟號和R-7而言，溫度損失很小。目前已經建立了設施來管理飛船的低溫液氧和液氮，這兩種物質的溫度都比煤油低得多。發射器的中央煤油箱四周和頂部被液氧箱包圍；液氮箱位於底部附近。四個助推器的煤油箱相對較小且緊湊，並且介於液氧箱和液氮箱之間。因此，一旦煤油最初冷卻下來，它就能在完成發射準備所需的短時間內保持冷卻狀態。獵鷹 9 號的最新版本——獵鷹9號全推力版，還具有將RP-1燃料過冷至−7 °C ，密度增加2.5%–4%的能力。
與其他燃料的比較[編輯]
| 液氧/煤油 | |
|---|---|
| 海平面比沖 | 220–301.5 s |
| 真空中比沖 | 292–340 s |
| 氧化劑與燃料的比率 | 2.56 |
| 密度（克/毫升） | 0.81–1.02 |
| 熱容量比 | 1.24 |
| 燃燒溫度 | 3670 K |
從化學角度來看，碳氫化合物推進劑的效率低於氫燃料，因為氫在燃燒過程中每單位質量釋放的能量更多，從而具有更高的排氣速度。這在一定程度上是由於碳原子相對於氫原子的質量較大。碳氫化合物發動機通常也採用富燃料運行，由於燃燒不完全，會產生一些一氧化碳而不是二氧化碳，但這並非碳氫化合物發動機所獨有，因為氫發動機通常也採用富燃料運行，以獲得最佳的整體性能。一些俄羅斯發動機的渦輪泵預燃室以富氧運行，但主燃燒室仍然以富燃料運行。總而言之，煤油發動機產生的比沖在270到360 m/s的範圍內。而液氫發動機則達到370到465 m/s。
發動機關閉時，燃油流量迅速降至零，而發動機仍然很熱。殘留和被困的燃料會在熱點或熱部件處聚合，甚至碳化。即使沒有熱點，重質燃料也會產生石油殘留物，就像使用多年的汽油、柴油或噴氣燃料箱中所看到的那樣。火箭發動機的循環壽命以分鐘甚至秒為單位，可以防止真正沉重的沉積物。然而，如上所述，火箭對沉積物非常敏感。因此，煤油系統通常需要更多的拆卸和大修，從而產生運營和勞動力費用。這對於消耗性發動機以及可重複使用發動機來說都是一個問題，因為發動機在發射前必須進行多次地面點火。即使是冷流試驗（其中推進劑沒有點燃）也會留下殘留物。
好的一面是，低於約1,000 psi（7 MPa）的腔室壓力，煤油會在噴嘴和腔內襯內部產生煙灰沉積物。這起到了重要的隔熱層的作用，可以將流入牆壁的熱量減少大約一半。然而，大多數現代碳氫化合物發動機都是在這個壓力以上運行的，因此對於大多數發動機來說，這並不是一個顯著的影響。
最近的重質碳氫化合物發動機已經修改了組件並採用了新的運行循環，以便更好地管理剩餘燃料，實現更漸進的冷卻，或兩者兼而有之。但未解離石油殘渣的問題仍然存在。其他新型發動機則試圖通過改用甲烷或丙烷氣體等輕質碳氫化合物來完全規避這一問題。兩者都是揮發物，因此發動機殘留物會蒸發掉。如果有必要，可使溶劑或其他瀉劑通過發動機運行以完成分散。丙烷的短鏈碳骨架（C3）很難斷裂；而甲烷只含有一個碳原子，從技術上講，它根本就不是鏈。兩種分子的分解產物也是氣體，由於相分離而出現的問題較少，發生聚合和沉積的可能性也小得多。然而，甲烷（以及程度較輕的丙烷）再次帶來了操作上的不便，而這正是促使人們使用煤油的原因。
煤油的低蒸氣壓為地勤人員提供了安全保障。然而，在飛行過程中，煤油箱需要單獨的加壓系統來補充耗盡的燃料量。通常，這是一個單獨的液體或高壓惰性氣體罐，例如氮氣或氦氣。這會產生額外的成本和重量。低溫或揮發性推進劑通常不需要單獨的加壓劑；相反，一些推進劑會膨脹（通常在發動機熱量的作用下）成低密度氣體並返回其儲罐。一些高度揮發性的推進劑設計甚至不需要氣環；一些液體會自動蒸發以填充其自己的容器。有些火箭使用來自氣體發生器的氣體來給燃料箱加壓；通常，這是來自渦輪泵的廢氣。雖然這節省了單獨氣體系統的重量，但迴路現在必須處理熱的活性氣體，而不是冷的惰性氣體。
除了化學限制之外，由於運載火箭行業與其他石油消費行業相比規模非常小，因此RP-1的供應也存在限制。雖然這種高度精煉的碳氫化合物的材料價格仍低於許多其他火箭推進劑，但RP-1供應商的數量有限。一些發動機嘗試使用更標準、分佈更廣的石油產品，如噴氣燃料甚至柴油（例如，ABL Space Systems的E2發動機可以使用RP-1或Jet-A運行）。通過使用替代或補充發動機冷卻方法，一些發動機可以接受非最佳配方。
任何以碳氫化合物為基礎的燃料燃燒時都會比單純的氫氣產生更多的空氣污染。碳氫化合物燃燒會產生二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）和碳氫化合物（CH）排放，而氫氣（H2）與氧氣（O2）反應僅生成水（ H2 ），同時會釋放一些未反應的H2 。碳氫燃料和氫燃料都會產生氮氧化物 ( NOx ) 污染物，因為火箭排氣溫度高於1,600 °C（2,900 °F）會將大氣中已經存在的部分氮（N2）和氧（O2 ）熱結合，形成氮氧化物。
類似RP-1的燃料[編輯]
- 汽油曾經被用於羅伯特·H·戈達德最初設計的小火箭。如果使用汽油作為火箭燃料的話，它的比沖和推力都會很低，所以只用於實驗。
- 在制定 RP-1 規範的同時， Rocketdyne正在對二乙基環己烷進行實驗。雖然它比煤油 1 性能優越，但從未被採用——它的配方在 Atlas 和 Titan I（圍繞煤油 1 設計的）研發之前尚未完成，導致煤油 1 成為標準的碳氫化合物火箭燃料。 [6]
以上是蘇聯的主張。此外，蘇聯曾短暫使用過syntin （俄語：синтин）「синтин「是一種能量更高的配方，用於上面級。 Syntin 是 1-甲基-1,2-二環丙基環丙烷 ( C
10H
16）。俄羅斯還致力於將聯盟-2 號火箭的燃料從 RP-1換成「萘甲酯」[7]或「萘基」[8] [9]
- 繼RP-1標準之後，又開發了RP-2。主要區別在於硫含量更低。然而，由於大多數用戶都接受 RP-1，因此幾乎沒有動力去生產和儲存第二種甚至更為稀有和更昂貴的配方。
- OTRAG集團推出了採用更常見混合物的測試火箭。至少有一次，火箭是由柴油推動的。然而，沒有一枚 OTRAG 火箭能夠接近軌道。[需要引用]
參考[編輯]
- ^ Bilstein, Roger E. Appendix A—Schematic of Saturn V. The NASA History Series. NASA. 1996: 405. ISBN 0-16-048909-1. （原始內容使用
|archiveurl=需要含有|url=(幫助)存檔於2008-11-01）. Digitized copies are available from the Internet Archive: 1996 edition; first edition. - ^ ISRO Annual Report 2013-14. isro.org. 18 October 2015 [2 June 2022]. （原始內容存檔於18 October 2015）.
- ^ Sutton, George Paul. History of Liquid Propellant Rocket Engines. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2006: 42. ISBN 9781563476495.
- ^ Basics of Space Flight: Rocket Propellants. Braeunig.us. [December 11, 2012].
- ^ Thermophysical Properties Measurements and Models for Rocket Propellant RP-1: Phase I (NISTIR 6646) (PDF).
- ^ Clark, John D. Ignition! An informal history of liquid rocket propellants. (PDF). New Brunswick, N.J.: Rutgers University Press. 1972: 105. ISBN 0-8135-0725-1. OCLC 281664 （美國英語）.
- ^ Vostochny launches on schedule for 2017. Russian Space Web. [February 5, 2018].
- ^ When will Russia's 1st carrier rocket firing naphthyl blast off?. Russia Now. October 11, 2016 [January 29, 2018] （美國英語）.
- ^ Russia completes engine tests of Soyuz rocket's second stage using new fuel. Russian Aviation. February 22, 2019.
外部連結[編輯]
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