美国国家航空航天局约翰·H·格伦研究中心探索飞行器项目办公室主任布莱恩·K·史密斯提供了以下解释。
火箭通过交换动量来工作。推进剂的质量及其从发动机系统高速排出赋予了火箭动量。推进剂通过在高压燃烧室中与氧化剂燃烧获得速度。由此产生的高能废气然后通过会聚或发散喷嘴引导。这种速度,加上推进剂的正确质量特性,提供了将飞行器送入太空所需的动力或能量。
科学家们用所谓的飞行器比冲来衡量火箭推进剂的效率。这衡量了每消耗单位推进剂的冲量或动量变化。推力,或推进剂产生的力,是与推进剂密度相关的另一个关键特性。不幸的是,具有高比冲的推进剂不具有高密度或高推力特性,反之亦然。
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虽然高比冲是在太空中移动时所需的品质,但高比冲的推进剂不会产生足够的推力来从地球表面进入太空。这是由于需要更大的燃料箱来容纳较低密度的推进剂,以及当火箭试图超越地球引力时作用在燃料箱上的大气阻力。其他推进剂考虑因素包括易燃性、燃烧稳定性、温度、可储存性、可靠性、毒性、成本和可用性。因此,不同的推进剂用于不同的任务,并且在任何给定火箭的各个级之间也不同。
推进剂可以是固体、液体或气体形式,每种形式都有其自身的优点和缺点。固体推进剂具有更高的密度——因此具有更高的推力。它们还可以储存、运输、可靠、复杂性较低,并且还可以包含自己的氧化剂。然而,一旦点燃,固体推进剂就会持续燃烧,限制了应用的数量。使用固体推进剂的火箭示例包括军用导弹的第一级、商用火箭以及附着在航天飞机液态燃料箱两侧的第一级助推器。(虽然附着,但这两个圆柱形助推器是与燃料箱分离的单元,燃料箱本身为航天飞机的液态燃料发动机供油。)高氯酸铵与橡胶状基质中结合在一起的铝粉混合物是最常见的固体推进剂。
液体,特别是低温液体,提供最高的比冲值,并且可以在整个任务中随意启动和停止,这使它们成为太空旅行的最佳选择。例如,液氢和液氧具有非常高的比冲,用于火箭的上级或第二级。稠密液体,如 RP-1(类似于煤油)有时用于第一级,但缺乏在太空中使用的高比冲。在推进剂选项中,气体燃料缺乏密度,但可以为太空旅行提供一些性能和长期储存优势。
任务的具体要求是选择推进剂的首要考虑因素。例如,美国宇航局为取代航天飞机而设计的新型载人发射系统将使用固体推进剂用于第一级,液氢和液氧用于第二级,以及液体推进剂用于服务舱,以便到达国际空间站。然后,这种推进剂结构可以发展到支持未来的月球和火星任务。