單組元推進劑火箭
單組元推進劑火箭（英語：Monopropellant rocket）或單組元火箭是一種只使用單一化學物質（即單組元推進劑）作為其推進劑的火箭。
化學反應單基火箭
[編輯]化學反應的單基火箭，化學物質形成推力並提供推進動力。即推進太空船需要的能量被包含在化學分子的鍵結之內。
最常用的單基推進劑是聯胺（N2H4），一種強還原劑。聯胺不需使用點火器，而最常見的催化劑是帶有銥塗層的氧化鋁顆粒。這些包衣顆粒通常使用商業標籤 Aerojet S-405（以前由殼牌製造） [1]或 WCHeraeus H-KC 12 GA（以前由 Kali Chemie 製造）[2]。 Aerojet S-405 是一種自發催化劑，與聯胺接觸時即將其分解，產生氮氣、氫氣和氨氣的混合物，並大量放熱產生1,000 °C（1,830 °F）的高溫。單基火箭的主要限制因素是其壽命，主要取決於催化劑的壽命。催化劑可能會受到污染或磨損，從而導致催化劑失效。另一種單基推進劑是過氧化氫，當純化到 90% 或更高濃度時，它會在高溫下或在催化劑影響下自分解。
大多數化學反應單基推進劑火箭系統由一個燃料槽組成，通常是一個鈦或鋁的空心球，以及一個裝有燃料的乙丙橡膠容器或表面張力推進劑管理裝置。之後會用氦氣或氮氣對油箱加壓，將燃料推向發動機。一根管道從油箱通向提升閥，然後通向發動機的分解室(雙基才會有燃燒室)。通常，衛星不會只有一個推進器，而會有兩到十二個(通常是兩兩一組)，每個都有自己的閥門。
用於衛星和太空探測器的姿態控制火箭發動機通常非常小，直徑 25 mm（0.98英寸）左右，並以一組四支、指向同一平面上四個方向的方式安裝。
當電腦向一個打開閥門的小型電磁鐵發送直流電訊號時，推進器就會噴射。噴射時間通常很短暫，僅有幾毫秒，如果在空氣中操作，聽起來就像是把鵝卵石扔到金屬垃圾桶上；如果長時間開啟，它會發出刺耳的嘶嘶聲。
化學反應單基推進不如其他一些推進技術有效率。但是當對簡單、可靠的需求程度，超過對高能量的需求時，工程師會選擇單基推進劑系統。如果推進系統必須產生大量推力或高比衝，如在星際航行的主發動機上，則使用其他技術。
太陽能加熱單基推進器
[編輯]有工程師提出的一個想法是低地球軌道（Low Earth Orbit, LEO）推進劑儲藏庫，可作為其他太空船在任務途中暫停、加油的中繼休息站。大量液態氫儲存在充滿輻射熱的太空環境裏，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進劑太陽熱推進系統，用於維持軌道與姿態控制，以及提供有限的推進劑和推力進行軌道變換，以便與其他太空船會合，這些太空船將從中繼站接收燃料。[3]
太陽能加熱單基推進器也是美國聯合發射聯盟公司（ULA） 提出的下一代上層級火箭設計不可或缺的一部分。先進通用進化級(Advanced Common Evolved Stage, ACES) 目標是成為成本更低、功能更強大也更靈活的上層級，補位甚至取代現有的 ULA 半人馬座火箭以及 ULA 三角洲低溫第二級(DCSS) 等上層級火箭。 ACES載具流體整合 (Intergrated Vehicle Fluids, IVF) 選項取消了太空船中的所有聯胺和氦氣（通常用於姿態控制和軌道維持），而是依靠使用廢棄氫氣的太陽能加熱單基推進器。[4]
新發展
[編輯]NASA 正在為小型、低成本的太空船開發一種新的單基推進系統，其Δv要求介於 10-150 m/s 間。該系統使用硝酸羥銨（HAN）/水/燃料單基推進劑混合物，該混合物密度極高、對環境友善、簡單且性能優秀。[5]
EURENCO Bofors 公司通過將 65% 的二硝胺銨（NH4N(NO2)2）溶解在 35% 的甲醇和氨水溶液中，製造出 LMP-103S 作為與聯胺一比一的替代品。LMP-103S 比聯胺單基推進劑的比衝高6%，單位密度推進率（impulse density）高 30%。此外，聯胺對人體有劇毒和致癌性，而 LMP-103S 僅具有中等毒性。 LMP-103S 是聯合國 1.4S 級 (允許在商用飛機上運輸)、不需要特殊處理，並已於 2010 年在 Prisma 衛星上驗證。 LMP-103S 可望取代聯胺成為最常用的單基推進劑。[6]
參見
[編輯]參考資料
[編輯]- ^ Aerojet Rocketdyne. Aerojet Announces Licensing and Manufacture of Spontaneous Monopropellant Catalyst S-405. aerojetrocketdyne.com. 12 Jun 2003 [9 Jul 2015]. （原始內容存檔於2017-12-05）.
- ^ Wilfried Ley; Klaus Wittmann; Willi Hallmann. Handbook of Space Technology. John Wiley & Sons. 2009: 317 [2021-08-26]. ISBN 978-0-470-74241-9. （原始內容存檔於2022-04-12）.
- ^ Zegler, Frank. Evolving to a Depot-Based Space Transportation Architecture (PDF). AIAA SPACE 2010 Conference & Exposition. AIAA. 2010-09-02 [2011-01-25]. （原始內容 (PDF)存檔於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.
- ^ Zegler and Kutter, 2010, p. 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. （原始內容存檔 (PDF)於2010-05-13） （英語）.
- ^ Swedish Space Corporation Group, Monopropellant LMP-103S, 2011, www.ecap.se[需要完整來源]