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单组元推进剂火箭

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單组元推進劑火箭(英語:Monopropellant rocket)或单组元火箭是一種只使用单一化学物質(即单组元推进剂)作为其推进剂的火箭。

化学反应單基火箭

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化学反应的單基火箭,化学物质形成推力並提供推进动力。即推进太空船需要的能量被包含在化学分子键結之内。

最常用的單基推进剂是聯胺(N2H4),一种强还原剂。聯胺不需使用点火器,而最常见的催化剂是帶有塗層的氧化铝顆粒。这些包衣颗粒通常使用商业标签 Aerojet S-405(以前由壳牌制造) [1]或 WCHeraeus H-KC 12 GA(以前由 Kali Chemie 制造)[2]。 Aerojet S-405 是一种自发催化剂,与聯胺接触时即將其分解,產生氮气氢气氨气的混合物,并大量放热产生1,000 °C(1,830 °F)的高溫。單基火箭的主要限制因素是其寿命,主要取决于催化剂的寿命。催化剂可能会受到汙染或磨损,从而导致催化剂失效。另一种單基推进剂是过氧化氢,当纯化到 90% 或更高浓度时,它会在高温下或在催化剂影響下自分解。

大多数化学反应單基推进剂火箭系统由一个燃料槽組成,通常是一个的空心球,以及一个装有燃料的乙丙橡胶容器或表面张力推进剂管理装置。之後會用氦气氮气对油箱加压,将燃料推向发动机。一根管道从油箱通向提升阀,然后通向发动机的分解室(雙基才會有燃燒室)。通常,卫星不會只有一个推進器,而會有两到十二个(通常是兩兩一組),每个都有自己的阀门。

用于卫星和太空探测器姿态控制火箭发动机通常非常小,直径 25 mm(0.98英寸)左右,并以一組四支、指向同一平面上四个方向的方式安装。

電腦向一个打开阀門的小型电磁铁发送直流电訊號时,推進器就会噴射。噴射時間通常很短暫,僅有几毫秒,如果在空气中操作,听起来就像是把鹅卵石扔到金属垃圾桶上;如果长时间开啟,它会发出刺耳的嘶嘶声。

化学反应單基推进不如其他一些推进技术有效率。但是当对简单、可靠的需求程度,超过对高能量的需求时,工程师会选择單基推进剂系统。如果推进系统必须产生大量推力或高比衝,如在星际航行的主发动机上,则使用其他技术。

太阳能加热單基推进器

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有工程師提出的一个想法是低地球轨道(Low Earth Orbit, LEO)推进剂儲藏库,可作為其他太空船在任务途中暫停、加油的中繼休息站。大量液態儲存在充滿辐射热太空环境裡,不可避免的將被氣化。這些氣態氫雖然無法充填給太空船,卻可用在中繼站的單基推进剂太阳热推进系统,用於維持軌道與姿态控制,以及提供有限的推进剂和推力進行轨道變換,以便與其他太空船会合,这些太空船将从中繼站接收燃料。[3]

太阳能加热單基推进器也是美国联合发射联盟公司(ULA) 提出的下一代上層级火箭设计不可或缺的一部分。先進通用进化级(Advanced Common Evolved Stage, ACES) 目標是成为成本更低、功能更强大也更灵活的上層级,补位甚至取代现有的 ULA 半人馬座火箭以及 ULA 三角洲低温第二级(DCSS) 等上層級火箭。 ACES載具流体整合 (Intergrated Vehicle Fluids, IVF) 选项取消了太空船中的所有聯胺氦气(通常用于姿态控制和軌道維持),而是依靠使用废棄氢氣的太阳能加热單基推进器。[4]

新发展

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NASA 正在为小型、低成本的太空船开发一种新的單基推进系统,其Δv要求介於 10-150 m/s 間。该系统使用硝酸羟铵(HAN)/水/燃料单基推进剂混合物,该混合物密度极高、对环境友善、簡單且性能優秀。[5]

EURENCO Bofors 公司通过将 65% 的二硝胺铵(NH4N(NO2)2)溶解在 35% 的甲醇和氨水溶液中,製造出 LMP-103S 作为與聯胺一比一的替代品。LMP-103S 比聯胺單基推进剂的比衝高6%,單位密度推進率(impulse density)高 30%。此外,聯胺對人體有剧毒和致癌性,而 LMP-103S 仅具有中等毒性。 LMP-103S 是联合国 1.4S 级 (允许在商用飞机上运输)、不需要特殊处理,并已於 2010 年在 Prisma 卫星上驗證。 LMP-103S 可望取代聯胺成为最常用的單基推进剂。[6]

參見

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参考資料

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  1. ^ Aerojet Rocketdyne. Aerojet Announces Licensing and Manufacture of Spontaneous Monopropellant Catalyst S-405. aerojetrocketdyne.com. 12 Jun 2003 [9 Jul 2015]. (原始内容存档于2017-12-05). 
  2. ^ Wilfried Ley; Klaus Wittmann; Willi Hallmann. Handbook of Space Technology. John Wiley & Sons. 2009: 317 [2021-08-26]. ISBN 978-0-470-74241-9. (原始内容存档于2022-04-12). 
  3. ^ Zegler, Frank. Evolving to a Depot-Based Space Transportation Architecture (PDF). AIAA SPACE 2010 Conference & Exposition. AIAA. 2010-09-02 [2011-01-25]. (原始内容 (PDF)存档于2011-10-20). the waste hydrogen that has boiled off happens to be the best known propellant (as a monopropellant in a basic solar-thermal propulsion system) for this task. A practical depot must evolve hydrogen at a minimum rate that matches the station keeping demands. 
  4. ^ Zegler and Kutter, 2010, p. 5.
  5. ^ Jankovsky, Robert S. HAN-Based Monopropellant Assessment for Spacecraft (PDF). 32nd Joint Propulsion Conference. Lake Buena Vista, Florida: NASA. 1996-07-01 – 07-03 [2021-08-26]. NASA Technical Memorandum 107287; AIAA-96-2863. (原始内容存档 (PDF)于2010-05-13) (英语). 
  6. ^ Swedish Space Corporation Group, Monopropellant LMP-103S, 2011, www.ecap.se[需要完整来源]

外部連結

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