草稿:RP-1煤油
 | 此條目需要編修，以確保文法、用詞、语气、格式、標點等使用恰当。 (2024年5月11日) |
 | 此條目翻譯品質不佳。 (2024年5月11日) |
RP-1（也称为火箭推进剂-1或精炼石油-1）是一种高度精炼的煤油，外观类似于航空煤油，用作火箭燃料。RP-1提供比液氢(H2 )更低的比冲，但是更加便宜，且在室温下稳定，并且具有更低的爆炸危险。 RP-1的密度远大于液氢，因此具有更高的能量密度（尽管其比能量较低）。 RP-1还比肼拥有更小的毒性和致癌风险。
使用和历史[编辑]
RP-1是电子号运载火箭、 联盟系列运载火箭 、 天顶系列运载火箭、三角洲系列运载火箭、Atlas、猎鹰9号和猎鹰重型运载火箭、Antares和Tronador II火箭做第一级助推器的燃料。它还为能源号、泰坦一号、土星一号和土星五号的第一级提供动力。印度空间研究组织 (ISRO)也在为其未来的火箭开发RP-1燃料发动机。 [2]
发展[编辑]
第二次世界大战期间和战后不久，醇类（主要是乙醇，偶尔是甲醇）通常用作大型液体燃料火箭的燃料。它们的高汽化热可以防止再生冷却发动机熔化，特别是考虑到酒精通常含有百分之几的水。然而，人们认识到碳氢燃料会提高发动机效率，因为碳氢燃料的密度稍高，燃料分子中缺少氧原子，并且水含量可以忽略不计。无论选择哪种碳氢化合物，它都必须取代酒精作为冷却剂。
许多早期火箭都燃烧煤油，但随着燃烧时间、燃烧效率和燃烧室压力的增加，发动机质量下降，从而导致发动机温度难以控制。用作冷却剂的粗煤油容易发生离解和聚合。气泡形式的轻质产物会导致气穴现象，而蜡沉积物形式的重质产物会堵塞发动机中狭窄的冷却通道。由此产生的冷却剂不足会进一步提高温度，并导致更多的聚合，从而加速故障。该循环迅速升级（即热失控），直到发生发动机壁破裂或其他机械故障，并且即使整个冷却剂流由煤油组成，这种循环也会持续存在。 20世纪50年代中期，火箭设计者求助于化学家来配制耐热碳氢化合物，成果就是RP-1。
20世纪50年代，液氧成为与RP-1 一起使用的首选氧化剂，[3]尽管也尝试使用了其他氧化剂。
馏分和配方[编辑]
首先，硫和硫化合物在高温下会侵蚀金属，甚至极少量的硫也会协助聚合。因此，硫和硫化合物的含量被控制在最低水平。
不饱和化合物（烯烃、炔烃和芳烃）也保持在较低水平，因为它们在高温和长时间储存下容易聚合。当时，人们认为煤油燃料导弹可能会储存数年等待激活。这一功能后来被转移到固体燃料火箭上，但饱和碳氢化合物的高温优势仍然存在。由于烯烃和芳烃含量较低，RP-1的毒性低于各种喷气燃料和柴油，并且远低于汽油的毒性。
选择或合成了更理想的异构体，减少直链烷烃的数量，有利于更多数量的环状和高度支化的烷烃。正如环状和支化分子可以提高汽油的辛烷值一样，它们也可以显着提高高温下的热稳定性。最理想的异构体是多环化合物，例如梯烷。
相比之下，煤油的主要应用（航空、供暖和照明）与热分解的关系较小，因此不需要对其异构体进行严格的优化。
在生产过程中，这些等级经过严格加工，以去除杂质和副馏分。人们担心灰烬可能会堵塞燃油管路和发动机通道，并磨损阀门和涡轮泵轴承，因为它们是由燃料润滑的。稍微过重或过轻的部分都会影响润滑能力，并且可能在储存和负载期间分离。其余烃类的质量和碳差不多。由于缺乏轻烃，RP-1的闪点较高，火灾危险性比汽油低。
总而言之，最终产品比普通煤油贵得多。任何石油经过充分提炼后都可以生产出 RP-1，尽管现实世界中的火箭级煤油来自少数具有高质量基础油田，也可以人工合成。这一点，加上与其他石油用户相比，利基市场的需求相对较小，导致RP-1的价格高昂。 MIL-R-25576[4]涵盖了RP-1的军用规格，NISTIR 6646则拥有了RP-1的化学和物理特性[5]
在俄罗斯和其他前苏联国家，两种主要的火箭煤油配方是T-1和RG-1。密度略高，0.82到0.85 g/mL，而RP-1为0.81 g/mL。在很短的一段时间内，苏联通过超级冷却火箭燃料箱中的煤油实现了更高的密度，但这部分违背了使用煤油而非其他超冷燃料的目的。[需要解释][需要澄清]就联盟号和R-7而言，温度损失很小。目前已经建立了设施来管理飞船的低温液氧和液氮，这两种物质的温度都比煤油低得多。发射器的中央煤油箱四周和顶部被液氧箱包围；液氮箱位于底部附近。四个助推器的煤油箱相对较小且紧凑，并且介于液氧箱和液氮箱之间。因此，一旦煤油最初冷却下来，它就能在完成发射准备所需的短时间内保持冷却状态。猎鹰 9 号的最新版本——猎鹰9号全推力版，还具有将RP-1燃料过冷至−7 °C ，密度增加2.5%–4%的能力。
与其他燃料的比较[编辑]
| 液氧/煤油 | |
|---|---|
| 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 |
从化学角度来看，碳氢化合物推进剂的效率低于氢燃料，因为氢在燃烧过程中每单位质量释放的能量更多，从而具有更高的排气速度。这在一定程度上是由于碳原子相对于氢原子的质量较大。碳氢化合物发动机通常也采用富燃料运行，由于燃烧不完全，会产生一些一氧化碳而不是二氧化碳，但这并非碳氢化合物发动机所独有，因为氢发动机通常也采用富燃料运行，以获得最佳的整体性能。一些俄罗斯发动机的涡轮泵预燃室以富氧运行，但主燃烧室仍然以富燃料运行。总而言之，煤油发动机产生的比冲在270到360 m/s的范围内。而液氢发动机则达到370到465 m/s。
发动机关闭时，燃油流量迅速降至零，而发动机仍然很热。残留和被困的燃料会在热点或热部件处聚合，甚至碳化。即使没有热点，重质燃料也会产生石油残留物，就像使用多年的汽油、柴油或喷气燃料箱中所看到的那样。火箭发动机的循环寿命以分钟甚至秒为单位，可以防止真正沉重的沉积物。然而，如上所述，火箭对沉积物非常敏感。因此，煤油系统通常需要更多的拆卸和大修，从而产生运营和劳动力费用。这对于消耗性发动机以及可重复使用发动机来说都是一个问题，因为发动机在发射前必须进行多次地面点火。即使是冷流试验（其中推进剂没有点燃）也会留下残留物。
好的一面是，低于约1,000 psi（7 MPa）的腔室压力，煤油会在喷嘴和腔内衬内部产生烟灰沉积物。这起到了重要的隔热层的作用，可以将流入墙壁的热量减少大约一半。然而，大多数现代碳氢化合物发动机都是在这个压力以上运行的，因此对于大多数发动机来说，这并不是一个显著的影响。
最近的重质碳氢化合物发动机已经修改了组件并采用了新的运行循环，以便更好地管理剩余燃料，实现更渐进的冷却，或两者兼而有之。但未解离石油残渣的问题仍然存在。其他新型发动机则试图通过改用甲烷或丙烷气体等轻质碳氢化合物来完全规避这一问题。两者都是挥发物，因此发动机残留物会蒸发掉。如果有必要，可使溶剂或其他泻剂通过发动机运行以完成分散。丙烷的短链碳骨架（C3）很难断裂；而甲烷只含有一个碳原子，从技术上讲，它根本就不是链。两种分子的分解产物也是气体，由于相分离而出现的问题较少，发生聚合和沉积的可能性也小得多。然而，甲烷（以及程度较轻的丙烷）再次带来了操作上的不便，而这正是促使人们使用煤油的原因。
煤油的低蒸气压为地勤人员提供了安全保障。然而，在飞行过程中，煤油箱需要单独的加压系统来补充耗尽的燃料量。通常，这是一个单独的液体或高压惰性气体罐，例如氮气或氦气。这会产生额外的成本和重量。低温或挥发性推进剂通常不需要单独的加压剂；相反，一些推进剂会膨胀（通常在发动机热量的作用下）成低密度气体并返回其储罐。一些高度挥发性的推进剂设计甚至不需要气环；一些液体会自动蒸发以填充其自己的容器。有些火箭使用来自气体发生器的气体来给燃料箱加压；通常，这是来自涡轮泵的废气。虽然这节省了单独气体系统的重量，但回路现在必须处理热的活性气体，而不是冷的惰性气体。
除了化学限制之外，由于运载火箭行业与其他石油消费行业相比规模非常小，因此RP-1的供应也存在限制。虽然这种高度精炼的碳氢化合物的材料价格仍低于许多其他火箭推进剂，但RP-1供应商的数量有限。一些发动机尝试使用更标准、分布更广的石油产品，如喷气燃料甚至柴油（例如，ABL Space Systems的E2发动机可以使用RP-1或Jet-A运行）。通过使用替代或补充发动机冷却方法，一些发动机可以接受非最佳配方。
任何以碳氢化合物为基础的燃料燃烧时都会比单纯的氢气产生更多的空气污染。碳氢化合物燃烧会产生二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）和碳氢化合物（CH）排放，而氢气（H2）与氧气（O2）反应仅生成水（ H2 ），同时会释放一些未反应的H2 。碳氢燃料和氢燃料都会产生氮氧化物 ( NOx ) 污染物，因为火箭排气温度高于1,600 °C（2,900 °F）会将大气中已经存在的部分氮（N2）和氧（O2 ）热结合，形成氮氧化物。
类似RP-1的燃料[编辑]
- 汽油曾经被用于罗伯特·H·戈达德最初设计的小火箭。如果使用汽油作为火箭燃料的话，它的比冲和推力都会很低，所以只用于实验。
- 在制定 RP-1 规范的同时， Rocketdyne正在对二乙基环己烷进行实验。虽然它比煤油 1 性能优越，但从未被采用——它的配方在 Atlas 和 Titan I（围绕煤油 1 设计的）研发之前尚未完成，导致煤油 1 成为标准的碳氢化合物火箭燃料。 [6]
以上是苏联的主张。此外，苏联曾短暂使用过syntin （俄語：синтин）“синтин“是一种能量更高的配方，用于上面级。 Syntin 是 1-甲基-1,2-二环丙基环丙烷 ( C
10H
16）。俄罗斯还致力于将联盟-2 号火箭的燃料从 RP-1换成“萘甲酯”[7]或“萘基”[8] [9]
- 继RP-1标准之后，又开发了RP-2。主要区别在于硫含量更低。然而，由于大多数用户都接受 RP-1，因此几乎没有动力去生产和储存第二种甚至更为稀有和更昂贵的配方。
- OTRAG集团推出了采用更常见混合物的测试火箭。至少有一次，火箭是由柴油推动的。然而，没有一枚 OTRAG 火箭能够接近轨道。[需要引用]
参考[编辑]
- ^ Bilstein, Roger E. Appendix A—Schematic of Saturn V. The NASA History Series. NASA. 1996: 405. ISBN 0-16-048909-1. （原始内容使用
|archiveurl=需要含有|url=(帮助)存档于2008-11-01）. Digitized copies are available from the Internet Archive: 1996 edition; first edition. - ^ ISRO Annual Report 2013-14. isro.org. 18 October 2015 [2 June 2022]. （原始内容存档于18 October 2015）.
- ^ Sutton, George Paul. History of Liquid Propellant Rocket Engines. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2006: 42. ISBN 9781563476495.
- ^ Basics of Space Flight: Rocket Propellants. Braeunig.us. [December 11, 2012].
- ^ Thermophysical Properties Measurements and Models for Rocket Propellant RP-1: Phase I (NISTIR 6646) (PDF).
- ^ Clark, John D. Ignition! An informal history of liquid rocket propellants. (PDF). New Brunswick, N.J.: Rutgers University Press. 1972: 105. ISBN 0-8135-0725-1. OCLC 281664 （美国英语）.
- ^ Vostochny launches on schedule for 2017. Russian Space Web. [February 5, 2018].
- ^ When will Russia's 1st carrier rocket firing naphthyl blast off?. Russia Now. October 11, 2016 [January 29, 2018] （美国英语）.
- ^ Russia completes engine tests of Soyuz rocket's second stage using new fuel. Russian Aviation. February 22, 2019.
外部链接[编辑]
 | 您所提交的草稿正在等待有经验的志愿者審核。
您可能需要等待5周或以上，因为草稿的审核没有特定的顺序。目前一共有118篇草稿正在等待志愿者審核。
如何改善您的草稿
|