浅谈火箭燃料
孙枫
随着天宫1号、2号，神舟10号、11号的发射，中国的航空航天已进入了一个新的等级：中国已经初步具有探测其它行星登陆其它行星的能力。
纵观世界范围内的航天史，理论性的推导早已在牛顿第谷开普勒时期完成。相比于理论，实际工作进展得异常缓慢，而其中燃料一直是限制实际工作进展的重要瓶颈之一。
燃料，顾名思义，就是用于燃烧的材料，将化学能转化为其他形式能量，如热能、光能、机械能。化学中讲燃料的本质是剧烈的氧化反应，其化学本质与铁被腐蚀差不多，只是速率有区别。
CH4+2O2=点燃=CO2+2H2O（速率快）
4Fe+3O2=点燃=2Fe2O3（速率慢）
所以在选择火箭燃料时，我们必须选择反应速率快的，这样能量转化的速率才会更快。而航天器如何利用燃料推进呢？这是个很复杂的物理问题。我只大概简述一下，燃料在燃烧后释放大量热，同时产生大量气体。用热将周围空气和产生气体加热膨胀快速喷出，便可获得推力。这个跟气球撒气的原理有类似之处。
众所周知，航天器推进器对燃料有非常高的要求。第一，释放能量必须足够快足够多。像前文中提到的甲烷甚至Fe都远远达不到标准的。一般来说人们会选择液态的氢气、液态的纯净煤油、固态的某些有机物。这些燃料基本可以使航天器进入环绕地球的轨道。第二，质量要比较小。单位质量释放能量越高，这种燃料当然越适合作为火箭的燃料，前文中提到的液氢、液煤油就属于比较轻的，而固体有机物燃料质量大，因此也只能作为小功率火箭甚至是导弹的燃料。第三，反应必须比较稳定。火箭发射到航天器进入预定轨道大概有十多分钟的时间，反应稳定，提供的推力比较稳定，不仅让宇航员在这十多分钟内可以承受，也让火箭安全性更高。在这点上，液态的燃料显然比固态燃料燃烧更具优势。
和普通喷气式飞机不同，火箭要自身携带氧化剂，比如氧气来参加燃料的快速燃烧。说得简单一些，就是提供一个燃料可以燃烧的环境。比如说大多数燃料在氧气中可以燃烧，在二氧化碳中却不可以燃烧，灭火器的原理之一便是这个。当然，随之而来的就是安全性的问题。在一密闭的空间将强氧化剂和烈性燃料存放在一起就好比炸药和火苗只隔着一层纸，危险性可想而知。所以将氧化剂与燃料分区放置也成为一个大学问。历史上美国哥伦比亚飞船爆炸就是因为一点燃料泄漏。
中国航空航天因大功率火箭及火箭燃料翻开新的一页。这些高能燃料也渐渐因技术的成熟走进工业领域，使材料学有了新的进展。但放眼世界，美苏（俄）在上世纪便拥有可发射200吨的大功率火箭，而中国用于发射天宫2号的长征-5只有120吨的最大载重量。中国作为一个航天大国与美苏（俄）这样的航天强国仍有30年的差距。如何借助快速发展的经济来弥补这差距，就是我们这代理科人所要思考、面对的了。
北师大二附中理科实验班学生写的航天类科技说明文之“浅谈火箭燃料”
