单组元推进剂火箭
单组元推进剂火箭（英语：Monopropellant rocket）或单组元火箭是一种只使用单一化学物质（即单组元推进剂）作为其推进剂的火箭。
化学反应单基火箭
[编辑]化学反应的单基火箭，化学物质形成推力并提供推进动力。即推进太空船需要的能量被包含在化学分子的键结之内。
最常用的单基推进剂是联胺（N2H4），一种强还原剂。联胺不需使用点火器，而最常见的催化剂是带有铱涂层的氧化铝颗粒。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，与联胺接触时即将其分解，产生氮气、氢气和氨气的混合物，并大量放热产生1,000 °C（1,830 °F）的高温。单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。催化剂可能会受到污染或磨损，从而导致催化剂失效。另一种单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响下自分解。
大多数化学反应单基推进剂火箭系统由一个燃料槽组成，通常是一个钛或铝的空心球，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。之后会用氦气或氮气对油箱加压，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(双基才会有燃烧室)。通常，卫星不会只有一个推进器，而会有两到十二个(通常是两两一组)，每个都有自己的阀门。
用于卫星和太空探测器的姿态控制火箭发动机通常非常小，直径 25 mm（0.98英寸）左右，并以一组四支、指向同一平面上四个方向的方式安装。
当电脑向一个打开阀门的小型电磁铁发送直流电讯号时，推进器就会喷射。喷射时间通常很短暂，仅有几毫秒，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；如果长时间开启，它会发出刺耳的嘶嘶声。
化学反应单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，工程师会选择单基推进剂系统。如果推进系统必须产生大量推力或高比冲，如在星际航行的主发动机上，则使用其他技术。
太阳能加热单基推进器
[编辑]有工程师提出的一个想法是低地球轨道（Low Earth Orbit, LEO）推进剂储藏库，可作为其他太空船在任务途中暂停、加油的中继休息站。大量液态氢储存在充满辐射热的太空环境里，不可避免的将被气化。这些气态氢虽然无法充填给太空船，却可用在中继站的单基推进剂太阳热推进系统，用于维持轨道与姿态控制，以及提供有限的推进剂和推力进行轨道变换，以便与其他太空船会合，这些太空船将从中继站接收燃料。[3]
太阳能加热单基推进器也是美国联合发射联盟公司（ULA） 提出的下一代上层级火箭设计不可或缺的一部分。先进通用进化级(Advanced Common Evolved Stage, ACES) 目标是成为成本更低、功能更强大也更灵活的上层级，补位甚至取代现有的 ULA 半人马座火箭以及 ULA 三角洲低温第二级(DCSS) 等上层级火箭。 ACES载具流体整合 (Intergrated Vehicle Fluids, IVF) 选项取消了太空船中的所有联胺和氦气（通常用于姿态控制和轨道维持），而是依靠使用废弃氢气的太阳能加热单基推进器。[4]
新发展
[编辑]NASA 正在为小型、低成本的太空船开发一种新的单基推进系统，其Δv要求介于 10-150 m/s 间。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、简单且性能优秀。[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，制造出 LMP-103S 作为与联胺一比一的替代品。LMP-103S 比联胺单基推进剂的比冲高6%，单位密度推进率（impulse density）高 30%。此外，联胺对人体有剧毒和致癌性，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，并已于 2010 年在 Prisma 卫星上验证。 LMP-103S 可望取代联胺成为最常用的单基推进剂。[6]
参见
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ 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）.
- ^ 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）.
- ^ 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.
- ^ 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. （原始内容存档 (PDF)于2010-05-13） （英语）.
- ^ Swedish Space Corporation Group, Monopropellant LMP-103S, 2011, www.ecap.se[需要完整来源]