分析火箭燃料不全用液氢液氧的原因

　　既然液氧液氢是高效环保的燃料，为什么火箭不是全部都用这个？还要用其它高毒剧毒或对环境影响很大的燃料？资料说是因为需要临时灌注，需要低温保存，制备困难，运输困难……等等……液氢液氧在工业和民用都非常普遍了，通常都说灌装常温保存运输，怎么到了火箭上就有那么多苛刻的条件了呢？今天，知乎大牛Phil就来通过分析液氢液氧的优劣势来回答这个问题。

　　液氢液氧的优势

　　比冲高，这是题主提到的“高效”的专业说法。比冲是衡量火箭燃烧效率的指标，比冲值越高，消耗同样质量的燃料，产生的冲量越大（即火箭能获得更多的加速）不同燃料的比冲详见下图

　　可见液氢液氧（第一个）是唯一比冲超过400的组合，燃烧产物是水。我国现在长征火箭上常用的是第三个，四氧化二氮+偏二甲肼，有剧毒哦~

　　这样就扯到了题主提到的环保问题，其实这真的不是什么问题，相比火电厂烧的那些煤，汽车排的那些尾气，一年发射的那几根火箭对环境造成的污染真的是九牛一毛。何况中国的发射场都建在偏远地区，就算火箭变烟花了，也不过毒害了一片沙漠。设计航天器时，是否环保真的只是一个枝梢末节的问题。

　　液氢液氧的劣势

　　其实主要都是液氢的劣势，液氧+煤油或者别的燃烧剂没什么太大问题

　　1体积

　　液氢的密度是70kg/m3，相比之下煤油（RP1燃料，五号第一级用的）是820kg/m3，偏二甲肼是786kg/m3。液氢的密度不到别人的十分之一！

　　这样带来一个巨大的问题就是，你需要一个巨大的罐子装液氢才够用

　　航天飞机的外燃料箱（橙罐）看起来很大，其实非常轻，发射时侧面两个固体助推器就占了全部质量的一半（相比之下固体燃料密度很高），剩下那个大罐子和航天飞机主体瓜分剩下的一半质量。而在橙罐中，那个深色的环往下的部分全部都是液氢，上面则是液氧（密度1141kg/m3)

　　2温度

　　液氢的沸点是-252摄氏度，先不说自身的储存问题，这个温度首先就使液氢对和他一起装在火箭里的氧化剂非常的“不友好”，比如液氧的冰点是-219度。在一些简单的火箭设计中，燃烧剂和氧化剂的罐子是连在一起的，中间只有一层舱壁。而液氢罐和液氧罐却必须完全分离开，中间留空（所以上面的橙罐上会有一个那么长的深色区域），不然液氢就把隔壁的液氧给冻住了。

　　3储存

　　因为极端低温，液氢和液氧的储存比较麻烦，如上图中外置燃料箱上的橙色涂料就是保温涂层。题主说液氢液氧在工业和民用领域非常普遍，这是因为这些领域都在地面上！地上的冷却系统再重也没问题，但是却不能搬到火箭上。实际上，火箭中的燃料罐基本都没有主动冷却，而只有尽量保温。即便如此，通常火箭中液氢罐的保温罐体本身往往可以占到满罐总质量的10%，而别的燃料罐这个值都是个位数（这个也和液氢的低密度有关）。这样一来又浪费一些了液氢高比冲带来的效率。

　　4蒸发

　　液氢和液氧被称为CryogenicPropellant，这类燃料都有个蒸发的问题。前面说到火箭中液氢和液氧罐只能被动保温，而保温再好也是挡不住温度上升的，因此罐子不能完全封闭，否则随着温度上升，低温液体会不断蒸发成气体会导致内部压力过大而爆炸。实际上液氢和液氧都是在发射倒计时前才现场注入火箭内的，从那时起燃料罐就开始不断漏气泄压。

　　如果飞行中火箭发动机需要中途关机，等待二次点火，阀门也不能关死。因此液氢液氧只能用作发射燃料，不能在航天器上长期储存，不然就漏光了。像需要长时间运行的空间站，卫星，火星和深空探测器上，是绝对不可能用液氢+液氧的。这些航天器上往往会使用稳定得多的燃料，如广泛用于姿态控制喷口的联氨，比冲只有220，但是冰点2度，沸点114度，长期储存起来就方便的多。

　　5点火

　　上文提到的偏二甲肼+四氧化二氮只要发生接触就会直接燃烧，无需点火系统。联氨更是只需要流过喷口前的一块催化剂就可以自主分解燃烧。这种发动机启动时只需要油泵开始工作即可。而液氢液氧发动机每次启动都需要主动点火，这样既增加了发动机的复杂程度，更多了一个可能失效的系统。