火星在召唤，“阿尔忒弥斯”如何为火星探险之旅提供燃料？

太空探索是化学学科最引人注目的应用之一。从20世纪50年代末的首次无人航天任务到航天飞机计划，再到现在的阿尔忒弥斯计划，火箭燃料和发动机技术的创新不断推进着太空探索的范围、能力和可持续性，实时展示了化学如何为这一领域提供动力。

火箭通过多种燃料与氧化剂组合产生巨大能量来克服地球引力。氧化剂和燃料在室温下单独放置是稳定的，但混合在一起并被热源触发时就会产生爆炸反应，从而为火箭提供推力。

工程师可以通过调整燃料与氧化剂的比例来多方面控制火箭性能。每种组合都具有独特的特性、优点和缺点，对推力效率、毒性、成本和安全性等要考虑的性能指标都会产生影响。因此，为航天任务选择最佳推进剂组件至关重要，而这又取决于与航天任务相关的诸多变量。

例如，对于大多数远程火箭而言采用气体推进剂不切实际。这是因为所用气体推进剂将占据极大的体积，而将这些物质压缩冷却为相应的液态就可为大型火箭提供最佳的体积功率比。然而，某些推进剂的沸点极低，需要在低于-150°C (-238°F) 的温度下低温冷却后才能液化。这可能是此类火箭推进燃料的一大缺点，因此，在特定航天任务中，使用这些燃料的效益超过其成本和挑战，才能证明选择这些燃料是合理的。

推力和比冲是推进剂两个易被混淆的重要性能特征。推力衡量推进剂的反作用力潜力，或者火箭能够升空的重量。比冲 (Isp) 系指推进剂将其质量转化为推力的效率，取决于一定数量的推进剂可以推动负载的时间。使用高比冲推进剂的发动机往往推力较小，但推进剂的质量利用效率会更高。简言之，此类发动机的燃油里程更大。

表1比较了常用火箭燃料组件的主要特性。美国国家航空航天局 (NASA) 阿尔忒弥斯太空发射系统 (SLS) 火箭使用的RS-25发动机采用的是LOX/LH ₂ (液态氧/液态氢) 推进剂组件。然而，一些商业组织正在开发的火箭 (包括SpaceX的猛禽发动机和蓝色起源公司的BE-4) 都使用液态甲烷/LOX组件提供动力。

在现代火箭推进剂中，LOX/LH ₂ 的比冲值最高。尽管这两种分子都需要低温冷却，但由于LOX/LH ₂ 的效率和可靠性，该组件过去50年来普遍用作火箭推进剂。此外，其他推进剂燃烧后会释放大量的污染性化学物质和温室气体，而LOX/LH ₂ 燃烧产生的主要副产物是水，因此LOX/LH ₂ 是一种更可持续的燃料。

表1. 推进剂组件：LOX和各种燃料的特性。

注:*RP-1 (火箭推进剂-1) 是一种高度精炼的煤油，广泛用于液体燃料火箭发动机 (即土星5号火箭发动机)。 

氢和氧都是稳定的元素，在室温下混合不会自发反应。要使反应发生，需要打破H-H和O=O共价键。当提供的能量足够突破H-H和O=O键能时会发生链式反应，直到生成水。H ₂ 与O ₂ 燃烧时，这种生成稳定水分子结构的反应会释放大量能量。

图1. H ₂ 在O ₂ 中燃烧的主要自由基反应。

虽然这个反应看似简单，但实际上H ₂ 与O ₂ 的燃烧过程十分复杂，涉及多个与H、O自由基的中间反应，生成水的主要反应 (见图1)。当一个自由基产生两个或更多自由基时会发生支链反应 (图1，反应3和4)。由于这些反应产生的活性自由基比消耗的更多，因此反应速度会加快，导致该反应具有爆炸性。

这些自由基反应并不总是按照图1所示的顺序进行，并且还可能通过其他链式反应生成未提及的其他自由基。推进剂混合物、压力和温度也会影响H ₂ 燃烧的动力学机制。

除了燃料优化外，火箭发动机的设计对于最大限度发挥现代火箭的威力同样至关重要。当今的火箭发动机设计利用了德国在第二次世界大战V-2火箭计划期间开发的基础创新技术。新材料和其他技术创新的出现使得工程师们可以优化发动机设计，从而提高现代太空任务所需的动力、耐用性、可靠性以及效率。

RS-25发动机由Aerojet Rocketdyne公司在20世纪70年代设计，最初是为美国国家航空航天局航天飞机任务开发和使用。经过五代创新，为阿尔忒弥斯SLS火箭提供动力的RS-25s是精密的低温发动机，它结合了数十年的技术进步和设计优化，是有史以来最高效、最强大的火箭发动机之一。

为了持续产生强大的推力，火箭发动机需要通过涡轮泵注入大量高速液体推进剂。第一版涡轮泵 (图2) 由V-2工程师在20世纪40年代开发，在设计和性能上实现了革命性突破。它配备了一台转速为4,000转/分的蒸汽涡轮机来驱动燃料和氧化剂离心泵。60多年后的今天，现代涡轮泵仍然是保证现代火箭发动机性能最关键、最复杂的组件之一。

美国载人火箭推进系统的发展

表2. Enginehistory.org提供的V-2涡轮泵的横截面。 

基于其出色的比冲值，阿尔忒弥斯火箭中的RS-25发动机采用了LOX/LH ₂ 低温推进剂组件。然而，由于LH ₂ 和LOX的密度和流量之间存在显著差异，RS-25无法在单台涡轮泵上运行。氢的密度极低 (71 g/L)，这意味着要按照匹配比例，使用2.7倍LOX当量的LH ₂ 才能实现高效燃烧。为了适应这些不同的低温液体及其物理特性，RS-25使用了两台独立的涡轮泵。

这些现代高压涡轮泵是工程学的杰作，其涡轮机包含数十个仅二十五美分硬币大小的叶片。每个叶片的转速在28,000~35,000转/分之间，提供的动力比科尔维特 (Corvette) 发动机还要大，可使涡轮泵产生数万马力的动力。

火箭燃料和发动机技术是太空计划推动创新的示范领域。不过，目前关于人类重返月球并最终登陆火星的重点研究也加速了医药、材料科学、通信、电子甚至农业等各行各业的创新，起到了催化剂的作用。许多创新不仅使太空任务成为可能，还推动了产品改进，惠及普罗大众。

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