整装待发的火箭箭身“烟雾缭绕”

观看北斗卫星运载火箭发射直播时，在点火的瞬间火箭尾部喷射着红色火焰，同时伴随着滚滚红色烟雾。想必大家心里出现疑问：为什么在火箭发射时会有大量烟雾？为什么是红色烟雾？同时，细心的观众在观看北斗卫星点火发射之前，发现火箭箭身时不时会冒出白色烟雾，这又是怎么回事呢？难道是卫星运载火箭的燃料外泄？这些问题也是深深困扰着包括我在内的关注我国航天事业的航天爱好者。想要对上面一系列问题做出答案，我们先从我国自主研制的运载火箭长征三号运载火箭说起。

长征三号系列火箭示意图（@中国航天网）

长征三号系列运载火箭由长征三号甲、长征三号乙和长征三号丙（简称长三甲、长三乙、长三丙火箭）三种大型低温液体运载火箭组成。长三号系列火箭包揽了目前我国绝大多数高轨道航天器发射任务，是长征系列运载火箭高密度发射的主力，是我国目前发射次数最多，成功率最高的火箭系列。此次北斗卫星的收官之战采用的正是长三乙运载火箭。

长征三号乙是一种三级液体捆绑火箭，其助推器、一级二级火箭推进剂均采用四氧化二氮和偏二甲肼，三级火箭推进剂采用液氢和液氧。长三乙承担着我国高轨道卫星、一箭多星的主要发射任务，其地球同步转移轨道的运载能力为5.1吨至5.5吨。

——四氧化二氮，化学式N2O4，是由二氧化氮（NO2）叠合而成。其固体和液体均无色。在大气压下，N2O4的沸点为21.2 oC，熔点为–11.2 oC，具有强烈氧化性，能与多种燃料自燃。其液态温度范围很窄，极易凝固和蒸发。

——偏二甲肼（1，1-二甲基联氨），分子式为(CH3)2NNH2或C2H8N2，无色易燃液体，大气压下沸点63 oC，熔点–57 oC，常常作为导弹、卫星、飞船等运载火箭的主体燃料。偏二甲肼是一种高比冲液体火箭燃料，和氧化剂接触立刻自动“点火”。

目前，其工业合成方法由我国工程院院士，化工合成专家李俊贤院士1968年主持研发采用二甲胺和一氯氨为原料的液态氯氨法，经过半年时间探索，其生产工艺和产品质量都达到了世界先进水平。液态氯氨法合成偏二甲肼的合成方程式：

北斗卫星运载火箭发射点火时，液态燃料(CH3)2NNH2和氧化剂N2O4接触立刻发生剧烈反应，产生明亮红色火焰，同时引发巨大比冲量。比冲是衡量火箭燃料效率的指标，比冲值越高，消耗同样质量的燃料，产生的冲量越大（即火箭能获得更多加速）。N2O4-C2H8N2的比冲约348 s，指火箭喷出的燃料速度可以达到3480 m/s。比冲量和火箭喷出燃料的速度成正比，要提高比冲量，就得想办法提高火箭喷出的燃料速度。

另外，低温的N2O4在点火发射过程中逐渐气化，储存燃料罐泄压过程中会排出多余的N2O4。悬浮于空气中的N2O4立刻分解成棕红色NO2气体，随着温度的升高，二氧化氮增多，颜色加深，从而冒出大量的红色烟雾。

相比N2O4-C2H8N2推进剂体系，长征三号乙载的三级火箭推进剂采用的液氢和液氧推进剂，以便实现地球高轨道同步卫星。液氢和液氧反应更为剧烈，具有更高比冲，达到457 s，即4570 m/s，而且燃烧产物为环保无污染的水。

相比一般的火箭设计，燃烧剂和氧化剂的存储箱子连在一起，中间只有一层舱壁隔离。然而液氢的沸点–252 ℃，液氧的凝固点为–219 ℃。从这两个温度可以看出，液氢和液氧必须完全分开，不然低温液氢必然会将液氧凝固成固体，从而不能有效点火。另外，液氢和液氧在存储时都存在蒸发现象，即使在低温条件下很好的保存，也不能保证局部温度的上升。因此，存储液氢和液氧罐不能完全封闭，否则随着温度的上升，低温液体会不断蒸发成气体导致内部压力过大而发生爆炸。因此，液氢和液氧都是在火箭发射之前才注入存储罐，从注入之后，火箭箭身就开始不断的漏气泄压，从而出现开篇提到的，整装待发的火箭箭身总是“烟雾缭绕”的现象。由此可见，液氢和液氧只能用做火箭发射燃料，但是不能长久存储。

另外，液氢和液氧是一种高效环保的火箭推进剂，但是液氢液氧每次启动时需要主动点火，不像N2O4-C2H8N2直接接触就发生自燃烧。因此，液氢液氧体系需要更为复杂的点火程序，这也增加了一个可能导致火箭点火失效的系统。因此，使用液氢液氧作为火箭推进剂，本身就是一个技术攻坚难题，我国后续的长征五号、长征七号运载火箭均采用高效的液氢液氧燃料体系，这对于我国航天卫星事业的发展具有非凡的意义。返回搜狐，查看更多