过冷低温推进剂的性能优势及其应用前景

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　　摘要：针对处于沸点温度以下过冷低温推进剂的特点，以热力学原理分析了过冷低温推进剂的性能优势及其获取方式，其热力学性能相对于饱和状态会有显著改善，如提高密度、降低气化压力和增加单位体积显冷量。在介绍了国外过冷低温推进剂研究与应用的基础上，讨论了我国的研究现状和应用前景。理论分析和初步地面试验结果表明，过冷低温推进剂作为航天燃料应用于航天运载工具之中优势明显，可显著增加有效载荷，降低发射成本，延长深空探测任务时间，但对于实际应用中可能遇到的技术难题，应作进一步的深入研究。文中的研究结果对未来中国开展过冷低温推进剂的研究和应用具有一定的借鉴和参考意义。
　　关键词：低温推进剂；过冷；燃料；有效载荷；发射成本
　　中图分类号：V511+.6 文献标志码：A 文章编号：0253-987X（2015）05-0016-08
　　液氢/液氧推进剂由于具有无毒、无污染、低成本、高比冲和大推力等优势，成为应用于大型运载火箭最广泛的一组推进剂，比冲比常温推进剂高30%～40%。目前，低温推进剂应用时的热力学状态大部分都处于沸点温度附近，热物理性能明显不足，尤其是液氢，其突出缺点是密度和单位体积显冷量小。低温推进剂质量一定时，密度小会导致低温推进剂贮箱体积尺寸增大，使运载火箭总的起飞质量增加，而单位体积显冷量小会导致低温推进剂气化损失增加，尤其是长期在轨航天运载器采用的低温推进剂，漏热所导致的气化升压在所难免。由于航天运载器贮箱有压力控制要求，压力过高时就要向外排放，如果排放的气体过多，会造成推进剂浪费，液氢/液氧推进剂由高比冲带来的优势将会削弱。而且从排放的角度来看，微重力环境下的气体排放是一个棘手的难题，且排放会干扰飞行姿态。
　　为了提高低温推进剂热力学性能，研究者采用过冷的手段来改善低温推进剂自身的不足，效果非常显著。例如，液氢推进剂从标准沸点（20.39 K）过冷至三相点温度（13.8 K），密度会增加8.8%，单位体积显冷量将会增加20%，从三相点处继续降温，直到出现60%的固氢（俗称浆氢），密度将增加16.8%，单位体积显冷量增加34%，而液氢密度增加8%，液氧密度增加10%，运载火箭总的起飞质量将减少20%。
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