液體火箭推進劑是一種液態物質或幾種液態物質的組合，它們能進行放熱的化學反應，形成高溫的反應產物。推進劑組元是指單獨貯存並單獨向發動機供給的液體火箭推進劑的組成部分，如液體氧化劑組元液氧和硝酸等，液體燃料組元煤油RP-1、酒精和液氫等。推進劑的選擇是發動機設計過程中的一個重要步驟，推進劑選擇得合適與否對發動機系統的性能和部件的設計原則都有很大影響，除此之外還要考慮價格、供應、處理及貯存等方面的問題。
液體推進劑是液體火箭發動機的能源和工質，在國內外航天發射領域普遍套用。目前國內航天發射場常用的液體推進劑有肼類推進劑（偏二甲肼、無水肼、甲基肼、單推-3）、硝基類推進劑（四氧化二氮、綠色四氧化二氮、紅煙硝酸）、液氫、液氧等。
基本介紹
- 中文名：液體推進劑
- 外文名：Liquid propellant
組成,分類,選擇原則,套用,主要危害,事故分類,
組成
液體推進劑包括液體氧化劑和液體燃料。
常見液體氧化劑有：
(1)液氧（LO）；最常見，易蒸發；
(2)液氟：比重大，毒性大；
(3) 四氧化二氮（NTO,N2O4):有毒性，易蒸發；
(4) 硝酸（HNO3,紅煙硝酸，較少使用）、過氧化氫（H2O2,不再用，因為貯存穩定性差，易分解）。
常見液體燃料有以下幾種：
(1) 碳氧燃料（汽油、煤油、柴油、航空燃油、RP-1和甲烷等烴類）：主要缺點是容易產生積碳·RP-1是一種類似汽油的石油精煉產品，特別適於火箭發動機；
(2) 液氫（LH):清潔燃料，成本高；
(3) 混胺燃料：由不同比例的脂肪胺或芳香胺組成，如各50%質量的三乙胺和二甲代苯胺組成的混胺燃料（國外稱冬卡-250)，其缺點是容易吸濕而報廢.現在很少使用；
(4)肼（N2H4）,偏二甲肼（UDMH)，甲基肼（MMH) 常統稱為三肼：可貯存，能量高。為保持肼、偏二甲肼、甲基肼各自的優點，克服其缺點，常將其中任意兩種按一定比例混合.組成混肼燃料.如質量各為50%的肼和偏二甲肼組成的燃料稱為混肼-50。
分類
按照液體推進劑本身的用途，可分為主推進劑、啟動推進劑和輔助推進劑；按照推進劑所包含的基本組元數目，可分為單組元、雙組元和三組元推進劑。
單組元液體推進劑可以是具有氧化性和還原性物質的混合物，也可以是單一的化合物，這種單一的化合物在其分解時可以伴隨著釋放熱量並汽化。火箭發動機單組元液體推進劑在自然條件和控制環境下必須是穩定的，且當加壓、加熱或經過催化劑時，能夠產生熱的燃燒氣體或分解氣體。通常單組元液體推進劑發動機系統具有結構簡單的優越性；但遺憾的是，大多數實用的單組元液體推進劑（如過氧化氫）的性能都較低，因此主要用於火箭發動機系統中的副能源，例如渦輪泵的氣體發生器和輔助動力傳動，以及用於姿態和滾動控制用的噴氣源。也有一些性能高的單組元液體推進劑，但它們的穩定性較差，如硝基甲烷，故在火箭上套用是不安全的。
雙組元液體推進劑發動機系統採用兩種不同的推進劑組元，通常一種為氧化劑，一種為燃料。單獨的貯箱分別貯存氧化劑和燃料。氧化劑和燃料一直到它們進入燃燒室之前，始終是不混合的。現代液體推進劑火箭發動機幾乎無一例外地採用雙組元推進劑，這是因為它們的性能較高，同時雙組元推進劑比較安全和便於調節。
三組元推進劑是指在液態燃料中加入少量高燃燒熱的金屬粉末，如鋁、鎂、鈹、鋰等，這樣，與氧化劑一起組成三個組元；也有採用液氧/煤油/液氫的三組元方案。理論上講，三組元推進劑能得到化學推進劑中的最高比沖。
根據氧化劑和燃料直接接觸時的化學反應能力，可將推進劑劃分為非自燃推進劑和自燃推進劑。非自燃推進劑需要設定點火裝置。而對於自燃推進劑的組元，當它們在使用溫度和使用壓強範圍內以液態相接觸時，就能進行放熱的化學反應。自燃推進劑使點火問題大大簡化了，但也帶來了危險性。例如，由於貯箱和其他組件泄漏引起燃料和氧化劑的意外混合，會造成爆炸。
按照推進劑組元保持液態的溫度範圍，可分為低沸點推進劑（低溫推進劑）和高沸點推進劑（可貯存推進劑）。
在標準壓強下，低沸點推進劑組元的沸點低於298K，並處於不斷汽化的狀態。某些液體推進劑是液化氣體，它在大氣壓強下具有非常低的沸點。比較常用的低溫推進劑有液氧和液氫。在目前大量使用的推進劑中，液氧/液氫推進劑的效能是最高的。但液氫的低密度和極易蒸發是其最大的缺點，因此應特別重視低溫推進劑的貯存和使用問題。為了減少由蒸發引起的損失，必須採取良好的絕熱措施。
與低沸點推進劑相反，在使用條件下，高沸點推進劑組元的沸點高於298K，這類推進劑在地面的一般使用條件下是液態的，而且在保存時無蒸發損失。某些液體推進劑在一個相當寬的溫度和壓強範圍內是穩定的，並且與結構材料發生化學反應的機率很小，因此足以允許推進劑在一封閉容器內貯存一年或更長的時間，這些推進劑也通常被稱為可貯存推進劑（常規推進劑）。可貯存推進劑一般包括一系列的推進劑組合，主要是以四氧化二氮(NTO)為氧化劑，以肼、一甲基肼(MMH)、偏二甲肼(UDMH)或它們的混合物為燃料。在阿波羅計畫中，可貯存雙組元推進劑發動機使人類登上了月球並安全返回地球。美國太空梭採用地面可貯存推進劑發動機進行機動飛行和離軌，許多運載火箭，如大力神、德爾它、長征和阿里安的助推級和上面級發動機均採用了地面可貯存推進劑，地面可貯存推進劑還用於大多數不載人的宇宙飛船和衛星。可貯存液體推進劑幾乎不用發射準備時間，無需採取特殊的隔熱措施，可以在加注狀態下長期保存，因此，可貯存推進劑在軍事用途飛行器上有著很廣泛的套用。
在液體推進劑中混以某些添加劑可以對推進劑的某些不足加以改善，如改善冷卻特性、降低冰點、減輕腐蝕作用、促進點火過程和穩定燃燒等。
在液體火箭發動機上可採用的液體氧化劑有硝酸、四氧化二氮、過氧化氫、三氟化氯、液氧和液氟，前四種是可貯存的氧化劑，後兩種是低溫氧化劑。可採用的燃料有乙醇、煤油、肼、偏二甲肼和液氫，前四種是可貯存的燃料，後一種是低溫燃料。
選擇原則
當針對某一特定的用途來選擇一種推進劑或者推進劑組合時，需要對液體推進劑的優、缺點有著全面深入的分析，因此推進劑的選定常常是各方面因素折中考慮的結果。下面列出比較重要和希望得到的推進劑特性，由於用途不同，其重要性的次序可能改變：
①單位質量推進劑所釋放的能量高，燃燒或分解氣體產物的分子量低，以得到高比沖；
②點火容易；
③燃燒穩定；
④密度高或者單位密度的比沖高，使推進劑貯箱及供應系統的尺寸和質量減到最小；
⑤具有較強的冷卻能力（比熱容大、熱傳導性好和臨界溫度高這三者的最佳組合）；
⑥在一定溫度下飽和蒸氣壓足夠低，使貯箱質量減小；
⑦冰點低，使發動機順利地在低溫下工作；
⑧沒有腐蝕作用，與發動機結構材料的相容性好；
⑨可貯存性；
⑩粘性低，使流過供應系統和噴注器的壓降減到最小；
⑩熱穩定性和衝擊穩定性高，使爆炸和著火的危險最低；
⑩常態推進劑及其蒸氣和它們的燃燒產物的毒性低；
⑩價格低；
⑩來源豐富。
套用
液體戰略飛彈火箭發動機比沖較高,推力大,推進劑流量可調節,能準確控制關機時間。液體飛彈有推進劑貯箱和增壓、輸送系統，發動機還有噴注器和冷卻系統等。因此，結構複雜，體積較大。推進劑需有專用的運輸、貯存、化驗和加注設備,增加了地面設備,影響飛彈的機動性。最早的液體飛彈是第二次世界大戰末期德國研製的V-2飛彈。戰後，蘇聯、美國、中國等先後研製了液體飛彈。如美國的"丘辟特"、"大力神"和前蘇聯的SS-6、SS-18、SS-19等飛彈。初期的液體飛彈使用的推進劑，沸點低，不便貯存。從60年代開始，液體飛彈廣泛使用了可貯液體推進劑。70年代，美國的"長矛"飛彈使用了預包裝可貯液體推進劑。80年代末，美國的液體飛彈已全部由固體飛彈替換。前蘇聯的戰略彈道飛彈多數仍是液體飛彈。
主要危害
1．著火與爆炸
液體推進劑的作用是為火箭或太空飛行器提供能量，具有易燃性或助燃性。如肼類、烴類推進劑和液氫易著火，當空氣中推進劑蒸氣濃度達到一定範圍時，還容易引起爆炸。四氧化二氮、紅煙硝酸、液氧等氧化劑雖不能燃燒，但具有強氧化性，助燃能力強。四氧化二氮、紅煙硝酸與木材、棉、紙張等可燃物相遇時，易引起火災。某些燃燒劑和氧化劑相遇，可立即自燃，甚至發生爆炸。因此，所有液體推進劑都有著火和爆炸的危險性，在液體推進劑的生產、運輸、轉注、加注和分析化驗等作業中，必須防火、防爆。
2．毒害作用
液體推進劑的毒害作用包括急性毒性作用、慢性毒性作用、刺激與腐蝕作用、過敏作用。這些毒害作用，有的只引起局部性中毒，有的則可引起全身性中毒；有的只引起短時間的暫時性中毒，有的則可引起長時間的中毒。肼、甲基肼和偏二甲肼對動物具有致癌作用，但對人體的致癌作用，尚未得到證實。
2002年國家安全生產監督管理局等部門把四氧化二氮、肼、甲基肼和偏二甲肼列入《劇毒物品目錄》（公告2003年第2號）。2003年國家衛生部將二氧化氮、肼、甲基肼和偏二甲肼列入《高毒物品目錄》（衛法監發[2003]142號）。目前發射場經常所稱偏二甲肼、肼和四氧化二氮為Ⅲ級（中等）毒物、甲基肼為Ⅱ級（高毒）毒物是根據國內有關部門提出的化學物質急性毒性分級暫行標準而來。
3．腐蝕作用
液體推進劑的腐蝕作用包括對金屬及非金屬材料、貯存容器、輸送管道、加注泵等的腐蝕作用，也包括對動植物和人體的化學灼傷作用。如四氧化二氮、紅煙硝酸等推進劑接觸人體皮膚、大量吸入呼吸道，均可產生嚴重的化學灼傷。
4．窒息作用
推進劑的窒息作用分為兩類：
(1)推進劑本身窒息作用。推進劑進人人體後，引起呼吸系統和血液循環系統發生病變，出現細胞供氧不足或使氣道閉塞，發生窒息作用。
(2)缺氧窒息。由於推進劑蒸氣大量進入空氣，使空氣中氧含量顯著下降，因缺氧引起窒息。如推進劑貯罐、槽車清洗並用氮氣吹乾後，氧濃度降低，當人員立刻進入其中作業時，可能發生缺氧性窒息。
5．低溫凍傷
低溫液體推進劑如液氫、液氧等，沸點低。在常溫下劇烈沸騰，吸收大量熱量，若與某些材料接觸可使材料迅速降溫變脆，導致設備故障；與人體皮膚接觸時，引起凍傷。
6．污染環境
在液體推進劑的生產、運輸、轉注、加注等作業中，當發生跑、冒、滴、漏，特別是發生大量液體推進劑泄漏、著火、爆炸事故時，由於推進劑的毒害作用，會造成大氣、水體、土壤和植物的污染。在清洗槽車、貯罐和加注、轉注系統等設施設備時，會產生大量含有液體推進劑的有害廢水；在加注、轉注等作業中，系統會排放大量含有推進劑的廢氣，這些廢水、廢氣若不進行處理即排放會造成嚴重環境污染。
事故分類
液體推進劑事故與化工事故有很多相似之處，主要表現為著火、爆炸、環境污染和毒害作用。引起事故的原因通常為液體推進劑泄漏、壓力容器超壓等。
液體推進劑事故按其後果可分為人員傷害事故、環境污染事故、設施設備受到嚴重損壞事故、推進劑大量變質事故、造成航天發射進程推遲或發射失敗的事故等。
按事故發生原因可分為：泄漏、著火、爆炸、重大任務期間設備故障、化驗數據錯誤、推進劑數質量保障不到位等。
