1.1.3火箭推进剂(研究与实践）课件 2023-2024学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

第一章 化学反应的热效应 第一节 反应热 了解火箭推进剂 “巨槎”——人类最早载人飞船构思 银槎杯 吴文化博物馆藏 “嫦娥”——人类最早女宇航员 古人的飞天梦想 火箭的出现，人类飞天梦实现成为可能和现实的存在。 火箭在航天和军事领域具有广泛的应用，而火箭推进剂则是幕后的推手，是火箭的心脏和血液。 齐奥尔科夫斯基1903年就推导出单级火箭的理想速度公式：V=ω×Ln(Mo/Mk)，被称为齐奥尔科夫斯基公式。ω为发动机的喷气速度，Ln为对数表达式，表示以自然对数e为底数的对数，Ln(Mo/Mk)就是表示为以e为底数Mo/Mk的对数，Mo和Mk，分别是火箭的初始质量和发动机熄火(推进剂用完)时的质量。Mo/Mk被称为火箭的质量比。 “地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。" 万户又被称为世界航天第一人，而在西昌卫星发射中心的主题公园内也矗立着他的雕像。 天文学家们还将月球上的一座环形山命名为万户山 其反应原理为S+2KNO3+3C=K2S+N2↑+CO2↑从宋朝开始，火箭的利用更多停留在了原始战争和娱乐上，但这是现代火箭的重要基础。 最早火箭出现在中国，就是运用火药点燃气产生的动能(推力)将火箭推向天空。 20世纪前，黑火药是世界上唯一的火箭用推进剂。 火箭推进剂 万户铜像 火箭推进剂 火箭推进剂 1940年创制第一代沥青、过氯酸钾复合推进剂,为固体推进剂的发展提供新的途径。1947年,研制出第二代聚硫橡胶、过氯酸铵、铝粉复合推进剂。50年代，又相继创用高分子胶粘剂聚氯乙烯、聚氨酯、聚丁二烯-丙烯酸、聚丁二烯-丙烯酸-丙烯腈、端羧基聚丁二烯和1962年创用端羟基聚丁二烯，制成固体推进剂 中国“引力一号”遥一商业运载火箭 引力一号创造了全球最大固体运载火箭、中国运力最大民商运载火箭、中国首型捆绑式民商火箭等多项记录，标志着我国商业运载火箭自主创新取得重大进展 固体火箭推进剂 固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较，具有结构简单，推进剂密度大，推进剂可以储存在燃烧器中常备待用和操纵方便可靠等优点。主要用作火箭弹、导弹和探空火箭的发动机，以及航天器发射和飞机起飞的助推发动机。 固体火箭存在很重大的缺陷，这就是普通火药能量低、喷气速度低、燃烧难以控制等 最早的火箭推进剂 液体火箭推进剂 液体推进剂通常包括燃料、氧化剂。燃料是燃烧时起还原作用的并释放能量的物质。氧化剂（又称助燃剂）是燃烧时起氧化作用的物质。火箭用液体燃料主要有液氢、肼、甲基肼、偏二甲肼、煤油、酒精等，液体氧化剂主要有液氧、四氧化二氮、过氧化氢、硝酸等。 反应原理为： 肼和四氧化二氮： N2O4+2N2H4=3N2↑+4H2O↑； 偏二甲肼（C2H8N2）和四氧化二氮C2H8N2+2N2O4=2CO2↑+3N2↑+4H2O↑ ▲SpaceX位于肯尼迪航天发射中心的液氧储罐（图片来源：SpaceX） 液体火箭推进剂 1926年，美国人R.H.戈达德发射第一个液体火箭使用液氧和煤油二元推进剂。 煤油突出特点是成本低，无毒环保，性能较高,和液氧在一起成为最佳拍档，存在的不足是：煤油燃烧会因为硫含量存在不同程度积碳影响重复使用；煤油作为冷却剂，受到结焦温度低的限制。 四氧化二氮作为氧化剂，搭配偏二甲肼作为燃料剂，比如用于运送神舟系列载人飞船的长征-2F型火箭，以及俄罗斯的质子M火箭，这类推进剂可以实现常温保存，但四氧化二氮有剧毒，且本身的制备成本很高，搭配偏二甲肼后产生的最大理论真空比冲值约在347秒，相比其他液体推进剂方案并无明显优势，对于商业航天而言也不是理想的选择。 液体火箭推进剂 液氢液氧本身就需要在低温状态下贮存，而液氧的温度又比液氢高，加上液氢本身占据的空间就大，这就导致火箭燃料箱与氧化剂箱的设计非常复杂，由此带来的高昂成本基本把将重视节约的商业航天拒之门外 长征8号火箭成功发射鹊桥2号中继卫星 液氢是化学推进剂中能量最高的燃料，与液氧燃烧的热值很高，燃烧产物为水蒸气，无固相产物积存，清洁无污染，特别适宜重复使用；液氢与液氧易于点火，燃烧稳定且效率高。 液体火箭推进剂 液氧+甲烷。作为燃料剂，甲烷拥有一大优势：即液态温度与液态氧非常接近，这就省去了如液氧+液氢方案那样给燃料剂箱和氧化剂箱做隔热的成本。而且甲烷的密度也远高于液氢，这让火箭能够在同等体积下加注更多的燃料。最重要的是，甲烷本身的制备成本也低于液氢、煤油和偏二甲肼。加上本身绿色环保的特点，液氧+甲烷的方案顺应了未来新一代运载火箭技术的发展方向。对于矢志追求降本增效的商业航天而言，液氧甲烷正在成为新宠。 朱雀二号”遥二号运载火箭 中国长征火箭系列 未来火箭推进剂 目前，美国等国正在研发一种核动力(聚变)火箭发动机，由于火箭或者飞船拥有无限的燃料补给，所以它可以一直加速直到接近光速，在这样的速度下，爱因斯坦的相对论效应将发挥明显的作用，从而在飞船的成员看来可以在20年里就抵达银河系的中心。 未来火箭推进剂 离子火箭发动机：利用原子的猛烈撞击，使原子外层的电子外脱离原子核飞出来，成为带电的离子。用高压电场将这些离子加速到每小时15万公里的速度，高速离子流从喷口喷出，推动火箭前进先用大功率的化学火箭将飞行器送入环绕地球的轨道，然后用这种小推力火箭去执行各种特殊任务。 离子火箭发动机 据统计，截至2023年9月，国内外入轨的稳态等离子体推力器的数量在5500~6000台，占入轨电推力器总数的90%以上 （歌曲）我们的引路人 结果与讨论 （1）通过研究，你得到什么启示？ （2）撰写研究报告，并与同学讨论 谢谢观看 THANKS Lavf57.83.100 Lavf57.83.100 $$