问题

液氧/煤油与过氧化氢/煤油相比,各有什么优劣?

回答
液氧/煤油组合,也就是我们常说的RP1/LOX,是现代航天领域一对非常成熟且备受青睐的推进剂组合。它的优点实在太突出了,让人不得不重视。首先, RP1,也就是高度精炼的煤油,它的密度相当不错,这意味着在相同体积下,你可以装载更多的燃料,这对于火箭的初始尺寸和有效载荷能力有着直接的积极影响。而且,RP1的储存和处理也相对容易,不像某些高能推进剂那样对环境和设备有极端苛刻的要求。它不像液氢那样需要超低温储存,尽管液氧也需要低温,但相比之下,RP1的操作门槛要低不少。

在燃烧性能方面,RP1/LOX能够产生相当不错的比冲,虽然它可能不是所有推进剂组合中最高的,但它能提供的推力非常强劲,而且相对稳定。这种强大的推力使其成为大型运载火箭一级发动机的首选,能够为火箭提供起飞所需的巨大能量。此外,RP1/LOX的燃烧产物相对清洁,不像某些氧化剂会产生腐蚀性或有毒的物质,这也有利于发动机的长期使用和维护。并且,由于RP1煤油的广泛应用和成熟的生产工艺,其成本也相对较低,这对于大规模的航天发射任务来说,经济性是一个非常重要的考量因素。

当然,RP1/LOX组合也有其不足之处。最主要的一个缺点就是,与一些更“激进”的推进剂相比,它的比冲并不算最高。这意味着在某些对极致性能要求极高的任务中,比如深空探测或者需要更长燃烧时间的上面级,可能需要更多的燃料才能达到相同的效果。另外,虽然RP1比氢燃料容易处理,但液氧的低温储存和操作仍然需要精密的系统和严格的安全措施。

现在我们来看看过氧化氢/煤油(H2O2/RP1)这个组合。过氧化氢,特别是高浓度的过氧化氢,作为一种氧化剂,它的主要优势在于其相对简单的分解机制。纯过氧化氢可以很容易地通过催化剂分解产生高温高压的蒸汽,这可以作为一种单组元推进剂使用,而且操作相对简便,不需要复杂的氧化剂/燃料混合。

当过氧化氢与煤油(RP1)混合作为双组元推进剂使用时,它能够提供比许多传统的组合更高的比冲。这得益于过氧化氢分解时释放出的能量以及其作为氧化剂的良好性能。它比RP1/LOX组合在理论上能提供更高的效率。此外,过氧化氢的制备和储存也相对容易,不需要像液氧那样达到极低的温度。高浓度过氧化氢的密度也不错,同样有利于推进剂的装载。

然而,过氧化氢/煤油组合也有其显著的缺点。首先,高浓度的过氧化氢(通常指90%以上)极不稳定,而且具有强烈的腐蚀性。它对几乎所有的有机物都有腐蚀作用,对金属也有一定的腐蚀性,这就意味着发动机和储存系统的材料选择会非常严格,成本也可能更高。它的稳定性也使得储存和运输变得复杂且危险,一旦发生泄漏或接触到杂质,可能会发生剧烈的分解甚至爆炸。

另一个重要的问题是,过氧化氢/煤油的燃烧过程可能不如RP1/LOX那么稳定和可控。过氧化氢分解产生的气体成分相对复杂,可能会对发动机内部造成额外的磨损和腐蚀。而且,虽然高浓度过氧化氢的能量密度不错,但它作为推进剂的实际应用,尤其是在大型火箭发动机上,其成熟度和可靠性远不如RP1/LOX。大规模生产高纯度、高稳定性的过氧化氢也存在一定的技术挑战和成本问题。

总而言之,RP1/LOX组合以其成熟可靠、易于处理、经济性好以及强大的推力,成为了许多大型运载火箭的可靠选择。而过氧化氢/煤油组合,虽然在理论性能上可能更优,但其稳定性、安全性以及处理的复杂性,使得它目前更多地出现在一些小型、特殊用途的飞行器,或者作为一种有潜力的未来推进剂进行研究,离大规模商业应用还有一段距离。

网友意见

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高浓度过氧化氢很危险,有强腐蚀性还不稳定很容易爆炸。需要良好的稳定剂、以及设备包括管路有保护膜,不然管路里不小心有点金属碎屑啥的杂质可能导致过氧化氢剧烈分解(催化)炸了整个发动机。库尔斯克号核潜艇爆炸艇毁人亡的惨剧就是因为鱼雷里过氧化氢泄漏引发大火最后鱼雷舱大殉爆。此外过氧化氢本身实际可用含氧量低不如液氧,这个我想不用多解释。降低了燃烧温度直接影响比冲。

当然过氧化氢也有重要优点,那就是容易长期储存不像低温的液氧那样容易挥发需要保持低温。纳粹德国ME163火箭战斗机、英国的黑箭运载火箭等都使用过氧化氢作为氧化剂。此外本身容易剧烈分解在某些地方也是优点,例如早期很多液体燃料火箭哪怕不用过氧化氢作为氧化剂也用催化剂分解过氧化氢产生水蒸汽和氧作为涡轮泵动力输送推进剂,从V2导弹到联盟火箭都是,结构比燃气发生器简单可靠。

此外由于在轨可储(自燃)推进剂中肼类和四氧化二氮的组合昂贵又有剧毒极其不环保,现在流行开发的绿色推进剂中就有和过氧化氢有关的组合,过氧化氢虽然有腐蚀性但本身不像四氧化二氮那样毒,且本身催化分解的特性也能起到肼那样用作单组元推进剂的作用。

我个人认为过氧化氢不适合作为发射起飞的氧化剂,但适合作为可储推进剂。

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