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RP-1煤油

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RP-1(又称火箭推进剂-1精炼石油-1)是一种高度精炼的煤油,外观类似喷射燃料,主要用作火箭燃料。与液氢相比,RP-1的比冲较低,但成本更低,可在室温下稳定存放,且爆炸风险较小。 RP-1的密度远高于液态氢,能量密度因此较高(尽管比能较低)。此外,RP-1的毒性致癌风险远低于另一种常见的室温液体燃料——[1]

历史与发展

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在第二次世界大战期间及战后初期,酒精(主要是乙醇,有时是甲醇)被广泛应用于大型液体燃料火箭的推进。酒精的高汽化热能有效防止再生冷却英语Regenerative cooling (rocketry)引擎过热,尤其是酒精通常含有少量水分。然而,后来人们发现,碳氢化合物燃料能提升引擎效率,这是由于碳氢化合物的密度略高,且其燃料分子中不含氧原子,几乎也不含水分。无论哪种碳氢化合物燃料被选用,它都需要取代酒精作为冷却剂。

许多早期火箭采用煤油作为燃料,但随着燃烧时间延长、燃烧效率提高以及燃烧室压力增大,火箭引擎质量减轻,这导致引擎温度难以控制。原始煤油作为冷却剂时,容易发生解离聚合作用,轻质产物会以气泡形式产生,造成空穴现象;重质产物则会以蜡质沉积物形式堵塞引擎内狭窄的冷却通道。冷却剂供应不足进一步提升温度,导致更多聚合反应,加速燃料分解。 这种现象会迅速恶化,最终引发引擎壁破裂或其他机械故障。即便冷却剂完全由煤油构成,这个问题依然存在。至1950年代中期,火箭设计师向化学家寻求解决方案,结果开发出耐热性更强的碳氢化合物燃料——RP-1。

1950年代,RP-1的氧化剂多采用液氧,尽管也有其他氧化剂的使用案例。[2]

组成与制备

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首先,硫和硫化合物在高温下会腐蚀金属,微量的硫也会促进聚合反应。因此,RP-1燃料中的硫及硫化合物含量被降至最低

不饱和化合物如烯烃炔烃芳香族化合物也保持在低水准,因为它们在高温或长期储存时容易聚合。当时认为,煤油燃料的飞弹可能需要储存多年以待启动。虽然后来这功能被转移至固体燃料火箭,但饱和碳氢化合物的高温稳定性仍被保留。由于烯烃和芳香族化合物含量较低,RP-1的毒性比喷气燃料和柴油低得多,且远低于汽油。

更理想的异构物被选择或合成,线性烷烃的比例减少,取而代之的是环状和高度支链的烷烃。类似于这些分子能提升汽油的辛烷值,它们也能在高温下显著提升热稳定性。其中,多环烷烃如梯烷是最理想的异构物。

相比之下,煤油的主要用途如航空、取暖和照明对热分解的要求不高,因此不需要严格优化异构物。

生产过程中,这些燃料被精细处理以去除杂质和副产物。灰分可能堵塞燃料管路和引擎通道,并磨损依赖燃料润滑的阀门涡轮泵轴承。稍重或稍轻的分馏物会影响润滑性能,并可能在储存或负载时分离。剩余的碳氢化合物质量接近或等于C12。由于缺少轻质碳氢化合物,RP-1的闪点较高,火灾危险性低于汽油。

虽然任何石油都能经过充分精炼生产RP-1,但现实中,火箭级煤油通常来自少数高品质的原油油田,或者可以人工合成。由于火箭燃料需求相对小,这推高了RP-1的价格。军用RP-1规范见于MIL-R-25576[3],RP-1的化学与物理性质则见于NISTIR 6646[4]

在俄罗斯及其他前苏联国家,T-1和RG-1是两种主要的火箭煤油配方[5]。它们的密度略高,介于0.82至0.85 g/mL之间,相较之下,RP-1的密度为0.81 g/mL。苏联曾短暂地将煤油超低温冷却来提高密度,但这在一定程度上抵消了选用煤油而非其他超低温燃料的好处。对于联合系列R-7飞弹来说,这种温度的影响较小,因为已有设施可以处理低温的液氧液氮,这两者的温度都远低于煤油。发射器中央的煤油箱被液氧箱围绕,液氮箱位于底部附近。四个助推器的煤油箱相对较小,也位于液氧和液氮箱之间。因此,煤油一旦初步冷却,能在发射准备期间保持足够的低温。最新的猎鹰9号——猎鹰9号全推力版,也具备将RP-1燃料冷却至-7 °C的能力,从而提高2.5%至4%的密度。

应用案例

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约两公升RP-1
约两公升RP-1
阿波罗8号任务,土星5号在火箭第一节中装有 810,700 公升 RP-1 和 1,311,100 公升液氧
阿波罗8号任务土星5号火箭第一节中装有 810,700 公升 RP-1 和 1,311,100 公升液氧[6]

RP-1被应用于电子号联合系列天顶系列三角洲系列擎天神系列猎鹰9号AntaresTronador II英语Tronador_(rocket)#Tronador_II等火箭的第一节助推器。它也曾为能量号泰坦1号土星1号土星1B号土星5号的第一节提供动力。 印度太空研究组织(ISRO)也在开发使用RP-1燃料的引擎,作为未来火箭的动力来源。[7]

与其他燃料的比较

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液氧/煤油[8]
海平面比冲 220–301.5 s
真空中比冲 292–340 s
氧化剂与燃料的比率 2.56
密度(克/毫升) 0.81–1.02
热容量比 1.24
燃烧温度 3670 K

在化学层面上,碳氢化合物推进剂的效率不如氢燃料。原因在于燃烧时,每单位质量所释放的能量较高,能够产生更高的排气速度。这与碳原子的质量相对于氢原子较大有关。碳氢化合物引擎通常运行在富燃料状态,导致产生部分一氧化碳而非二氧化碳,这是燃烧不完全的结果[9]。然而,氢燃料引擎也常处于富燃料状态以达到最佳性能。俄罗斯的一些引擎的涡轮泵预燃器运行在富氧状态,但其主燃烧室仍属富燃料运行[10]。整体而言,煤油引擎的比冲约在270至360秒之间,而氢燃料引擎则可达到370至465秒。

当引擎关闭后,燃料流量迅速降至零,但引擎仍处于高温状态,剩余或滞留的燃料可能在热点或高温部件上聚合甚至碳化。即便没有明显热点,重质燃料也可能在引擎内部形成油性残留物,类似于汽油、柴油或喷气燃料箱内长期形成的积碳[11]。火箭引擎的寿命通常以分钟甚至秒来计算,因此较大规模的积碳沉积物不易形成,但火箭引擎对任何沉积物都十分敏感。煤油推进系统因此需要更频繁的拆解和大修,这大幅增加了营运和维护成本。不论是一次性还是可重复使用的引擎,发射前都需进行多次地面点火测试,甚至冷流测试(未点燃推进剂),这些测试也可能残留杂质[12]

若燃烧室压力低于约1,000 psi(7 MPa),煤油会在喷管和燃烧室内壁形成黑烟沉积物,这层沉积物起到绝缘作用,可减少近一半的热量流入墙壁[9]。然而,现代大多数碳氢化合物引擎运行压力远超此值,因此这种效应并不显著。

新型重碳氢化合物引擎已修改部分组件,并采用新循环技术来更好地管理剩余燃料和逐步冷却,尽管这无法完全解决石油残留问题。某些新型引擎则选择改用甲烷丙烷等轻碳氢化合物以避开此问题[9],这些燃料挥发性强,残留物会自然蒸发。必要时,也可使用溶剂清洗。丙烷的短碳链难以分解,而甲烷只有一个碳原子,分解产物均为气体,较少出现聚合或沉积问题。

煤油的低蒸气压为地面操作提供一定安全性,但在飞行中,煤油燃料箱需额外增压系统来补充消耗的燃料体积,通常使用高压惰性气体(如氮气氦气)独立储罐完成[13],这增加了重量和成本。低温或挥发性推进剂则不需独立增压系统,它们可利用引擎热量膨胀为低密度气体,回流燃料箱。部分挥发性推进剂甚至无需气体循环系统,因液体自然蒸发填充燃料箱。某些火箭则使用涡轮泵废气来增压燃料箱,减少独立气体系统的重量,惟需处理高温反应气体而非冷却惰性气体。

在供应层面,RP-1的供应量受限于发射载具行业相对于其他石油消费者规模过小。虽然RP-1材料成本仍低于多数火箭推进剂,但供应商数量有限。有些引擎尝试使用更常见的石油产品,如喷气燃料或柴油。例如,ABL Space Systems英语ABL Space Systems的E2引擎可使用RP-1或Jet-A[14]。某些引擎采用辅助冷却技术,可承受这些次优配方。

碳氢化合物燃料燃烧排放较多的污染物,包括二氧化碳、一氧化碳及碳氢化合物,而氢燃料燃烧则主要生成水,仅释放少量未燃烧的氢气。无论使用何种燃料,若火箭排气温度超过1,600°C(2,900°F),大气中的氮气和氧气会结合生成氮氧化物,进一步加剧污染[15]

类似RP-1的燃料

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  • 在开发RP-1规范的过程中,Rocketdyne英语Rocketdyne曾尝试使用二乙基环己烷。虽然其性能优于RP-1,但最终未被采用,因为当时这一配方尚未成熟,而擎天神系列和泰坦1号火箭的设计已经围绕RP-1进行,导致RP-1成为碳氢化合物火箭燃料的标准。[16]
  • 苏联曾短暂使用合成燃料Syntin英语Syntin(俄文:синтин),这是一种能量更高的配方,用于上级火箭。 Syntin的化学式为1-甲基-1,2-双环丙基环丙烷(C
    10
    H
    16
    )。目前,俄罗斯也正尝试将联盟2号运载火箭的燃料从RP-1改为「naftil」[17]或「naphthyl」[18] [19]
  • RP-1标准之后,RP-2也随之开发,主要区别在于硫含量更低[20]。然而,由于大部分使用者已经接受RP-1,缺乏生产和储备RP-2这种更加稀有且昂贵配方的动力。
  • OTRAG集团英语OTRAG在火箭测试中使用了较为常见的燃料混合物。至少有一次试验中,火箭以柴油作为推进剂。然而,没有任何OTRAG火箭英语OTRAG (rocket)成功接近达到轨道。

参考资料

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  1. ^ Using RP-1 As Rocket Fuel - Advantages & Disadvantages. Headed For Space. 
  2. ^ Sutton, George Paul. History of Liquid Propellant Rocket Engines. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2006: 42. ISBN 9781563476495. 
  3. ^ Basics of Space Flight: Rocket Propellants. Braeunig.us. 
  4. ^ Thermophysical Properties Measurements and Models for Rocket Propellant RP-1: Phase I (NISTIR 6646) (PDF). 
  5. ^ Lox/Kerosene. Encyclopedia Astronautica. 
  6. ^ Bilstein, Roger E. Appendix A—Schematic of Saturn V. The NASA History Series. NASA. 1996: 405. ISBN 0-16-048909-1.  Digitized copies are available from the Internet Archive: 1996 edition; first edition.
  7. ^ ISRO Annual Report 2013-14. isro.org. 2015-10-18. 
  8. ^ Basics of Space Flight: Rocket Propellants. Rocket and Space Technology. 
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 Marco Fassina. Preliminary design of an on-board de-orbiting system for Block I (PDF). POLITECNICO DI MILANO. 2010. 
  10. ^ Keith Cowing. Russian Rocket Engines In Many Critical Paths. NASA Watch. 
  11. ^ B. Steigemeier; L. Meyer; R. Taghavi, A thermal stability and heat transfer investigation of five hydrocarbon fuels, Indianapolis, IN, United States: 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 2002 
  12. ^ Mishra, D.P. Fundamentals of Rocket Propulsion (PDF). CRC Press. 2017. 
  13. ^ Roy Langton; Chuck Clark; Martin Hewitt; Lonnie Richards. Aircraft Fuel Systems (PDF). Wiley. 2009. 
  14. ^ RS1. ABL Space Systems. 
  15. ^ Limin Wang; Chunli Tang; Tao Zhu; Fan Fang; Xing Ning; Defu Che, Experimental Investigation on Combustion and NOx Formation Characteristics of Low-Ash-Melting-Point Coal in Cyclone Furnace, American Chemical Society, 2022 
  16. ^ Clark, J. D.; Asimov, Isaac. Ignition! an informal history of liquid rocket propellants. Rutgers University Press. 1972: 105. ISBN 978-0-8135-0725-5. 
  17. ^ Vostochny launches on schedule for 2017. Russian Space Web. 
  18. ^ When will Russia's 1st carrier rocket firing naphthyl blast off?. Russia Now. 2016-10-11. 
  19. ^ Russia completes engine tests of Soyuz rocket's second stage using new fuel. Russian Aviation. 2019-02-22. 
  20. ^ Bret C. Windom; Tara M. Lovestead; Jennifer R. Riggs; Christopher Nickel; Thomas J. Bruno, Assessment of the Compositional Variability of RP-1 and RP-2 with the Advanced Distillation Curve Approach, Boulder, CO, United States: National Institute of Standards and Technology, 2010 

外部链接

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