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RP-1煤油

RP-1（又称火箭推进剂-1或精炼石油-1）是一种高度精炼的煤油，外观类似喷射燃料，主要用作火箭燃料。与液氢相比，RP-1的比冲较低，但成本更低，可在室温下稳定存放，且爆炸风险较小。 RP-1的密度远高于液态氢，能量密度因此较高（尽管比能较低）。此外，RP-1的毒性与致癌风险远低于另一种常见的室温液体燃料——肼[1]。

历史与发展

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在第二次世界大战期间及战后初期，酒精（主要是乙醇，有时是甲醇）被广泛应用于大型液体燃料火箭的推进。酒精的高汽化热能有效防止再生冷却（英语：Regenerative cooling (rocketry)）发动机过热，尤其是酒精通常含有少量水分。然而，后来人们发现，碳氢化合物燃料能提升发动机效率，这是由于碳氢化合物的密度略高，且其燃料分子中不含氧原子，几乎也不含水分。无论哪种碳氢化合物燃料被选用，它都需要取代酒精作为冷却剂。

许多早期火箭采用煤油作为燃料，但随着燃烧时间延长、燃烧效率提高以及燃烧室压力增大，火箭发动机质量减轻，这导致发动机温度难以控制。原始煤油作为冷却剂时，容易发生解离和聚合作用，轻质产物会以气泡形式产生，造成空穴现象；重质产物则会以蜡质沉积物形式堵塞发动机内狭窄的冷却通道。冷却剂供应不足进一步提升温度，导致更多聚合反应，加速燃料分解。 这种现象会迅速恶化，最终引发发动机壁破裂或其他机械故障。即便冷却剂完全由煤油构成，这个问题依然存在。至1950年代中期，火箭设计师向化学家寻求解决方案，结果开发出耐热性更强的碳氢化合物燃料——RP-1。

1950年代，RP-1的氧化剂多采用液氧，尽管也有其他氧化剂的使用案例。[2]

组成与制备

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首先，硫和硫化合物在高温下会腐蚀金属，微量的硫也会促进聚合反应。因此，RP-1燃料中的硫及硫化合物含量被降至最低。

不饱和化合物如烯烃、炔烃和芳香族化合物也保持在低水准，因为它们在高温或长期储存时容易聚合。当时认为，煤油燃料的飞弹可能需要储存多年以待启动。虽然后来这功能被转移至固体燃料火箭，但饱和碳氢化合物的高温稳定性仍被保留。由于烯烃和芳香族化合物含量较低，RP-1的毒性比喷气燃料和柴油低得多，且远低于汽油。

更理想的异构物被选择或合成，线性烷烃的比例减少，取而代之的是环状和高度支链的烷烃。类似于这些分子能提升汽油的辛烷值，它们也能在高温下显著提升热稳定性。其中，多环烷烃如梯烷是最理想的异构物。

相比之下，煤油的主要用途如航空、取暖和照明对热分解的要求不高，因此不需要严格优化异构物。

生产过程中，这些燃料被精细处理以去除杂质和副产物。灰分可能堵塞燃料管路和发动机通道，并磨损依赖燃料润滑的阀门和涡轮泵轴承。稍重或稍轻的分馏物会影响润滑性能，并可能在储存或负载时分离。剩余的碳氢化合物质量接近或等于C12。由于缺少轻质碳氢化合物，RP-1的闪点较高，火灾危险性低于汽油。

虽然任何石油都能经过充分精炼生产RP-1，但现实中，火箭级煤油通常来自少数高品质的原油油田，或者可以人工合成。由于火箭燃料需求相对小，这推高了RP-1的价格。军用RP-1规范见于MIL-R-25576[3]，RP-1的化学与物理性质则见于NISTIR 6646[4]。

在俄罗斯及其他前苏联国家，T-1和RG-1是两种主要的火箭煤油配方[5]。它们的密度略高，介于0.82至0.85 g/mL之间，相较之下，RP-1的密度为0.81 g/mL。苏联曾短暂地将煤油超低温冷却来提高密度，但这在一定程度上抵消了选用煤油而非其他超低温燃料的好处。对于联合系列和R-7飞弹来说，这种温度的影响较小，因为已有设施可以处理低温的液氧和液氮，这两者的温度都远低于煤油。发射器中央的煤油箱被液氧箱围绕，液氮箱位于底部附近。四个助推器的煤油箱相对较小，也位于液氧和液氮箱之间。因此，煤油一旦初步冷却，能在发射准备期间保持足够的低温。最新的猎鹰9号——猎鹰9号全推力版，也具备将RP-1燃料冷却至-7 °C的能力，从而提高2.5%至4%的密度。

应用案例

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约两升RP-1
 
阿波罗8号任务，土星5号在火箭第一节中装有 810,700 升 RP-1 和 1,311,100 升液氧[6]

RP-1被应用于电子号、联合系列、天顶系列、德尔塔系列、宇宙神系列、猎鹰9号、Antares和Tronador II（英语：Tronador_(rocket)#Tronador_II）等火箭的第一节助推器。它也曾为能量号、大力神1号、土星1号、土星1B号及土星5号的第一节提供动力。 印度太空研究组织（ISRO）也在开发使用RP-1燃料的发动机，作为未来火箭的动力来源。[7]

与其他燃料的比较

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液氧/煤油[8]
海平面比冲 220–301.5 s
真空中比冲 292–340 s
氧化剂与燃料的比率 2.56
密度（克/毫升） 0.81–1.02
热容量比 1.24
燃烧温度 3670 K

在化学层面上，碳氢化合物推进剂的效率不如氢燃料。原因在于氢燃烧时，每单位质量所释放的能量较高，能够产生更高的排气速度。这与碳原子的质量相对于氢原子较大有关。碳氢化合物发动机通常运行在富燃料状态，导致产生部分一氧化碳而非二氧化碳，这是燃烧不完全的结果[9]。然而，氢燃料发动机也常处于富燃料状态以达到最佳性能。俄罗斯的一些发动机的涡轮泵预燃器运行在富氧状态，但其主燃烧室仍属富燃料运行[10]。整体而言，煤油发动机的比冲约在270至360秒之间，而氢燃料发动机则可达到370至465秒。

当发动机关闭后，燃料流量迅速降至零，但发动机仍处于高温状态，剩余或滞留的燃料可能在热点或高温部件上聚合甚至碳化。即便没有明显热点，重质燃料也可能在发动机内部形成油性残留物，类似于汽油、柴油或喷气燃料箱内长期形成的积碳[11]。火箭发动机的寿命通常以分钟甚至秒来计算，因此较大规模的积碳沉积物不易形成，但火箭发动机对任何沉积物都十分敏感。煤油推进系统因此需要更频繁的拆解和大修，这大幅增加了营运和维护成本。不论是一次性还是可重复使用的发动机，发射前都需进行多次地面点火测试，甚至冷流测试（未点燃推进剂），这些测试也可能残留杂质[12]。

若燃烧室压力低于约1,000 psi（7 MPa），煤油会在喷管和燃烧室内壁形成黑烟沉积物，这层沉积物起到绝缘作用，可减少近一半的热量流入墙壁[9]。然而，现代大多数碳氢化合物发动机运行压力远超此值，因此这种效应并不显著。

新型重碳氢化合物发动机已修改部分组件，并采用新循环技术来更好地管理剩余燃料和逐步冷却，尽管这无法完全解决石油残留问题。某些新型发动机则选择改用甲烷或丙烷等轻碳氢化合物以避开此问题[9]，这些燃料挥发性强，残留物会自然蒸发。必要时，也可使用溶剂清洗。丙烷的短碳链难以分解，而甲烷只有一个碳原子，分解产物均为气体，较少出现聚合或沉积问题。

煤油的低蒸气压为地面操作提供一定安全性，但在飞行中，煤油燃料箱需额外增压系统来补充消耗的燃料体积，通常使用高压惰性气体（如氮气或氦气）独立储罐完成[13]，这增加了重量和成本。低温或挥发性推进剂则不需独立增压系统，它们可利用发动机热量膨胀为低密度气体，回流燃料箱。部分挥发性推进剂甚至无需气体循环系统，因液体自然蒸发填充燃料箱。某些火箭则使用涡轮泵废气来增压燃料箱，减少独立气体系统的重量，惟需处理高温反应气体而非冷却惰性气体。

在供应层面，RP-1的供应量受限于发射载具行业相对于其他石油消费者规模过小。虽然RP-1材料成本仍低于多数火箭推进剂，但供应商数量有限。有些发动机尝试使用更常见的石油产品，如喷气燃料或柴油。例如，ABL Space Systems（英语：ABL Space Systems）的E2发动机可使用RP-1或Jet-A[14]。某些发动机采用辅助冷却技术，可承受这些次优配方。

碳氢化合物燃料燃烧排放较多的污染物，包括二氧化碳、一氧化碳及碳氢化合物，而氢燃料燃烧则主要生成水，仅释放少量未燃烧的氢气。无论使用何种燃料，若火箭排气温度超过1,600°C（2,900°F），大气中的氮气和氧气会结合生成氮氧化物，进一步加剧污染[15]。

类似RP-1的燃料

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  • 在开发RP-1规范的过程中，Rocketdyne（英语：Rocketdyne）曾尝试使用二乙基环己烷。虽然其性能优于RP-1，但最终未被采用，因为当时这一配方尚未成熟，而宇宙神系列和大力神1号火箭的设计已经围绕RP-1进行，导致RP-1成为碳氢化合物火箭燃料的标准。[16]
  • 苏联曾短暂使用合成燃料Syntin（英语：Syntin）（俄文：синтин），这是一种能量更高的配方，用于上级火箭。 Syntin的化学式为1-甲基-1,2-双环丙基环丙烷（C
    10    H
    16    ）。目前，俄罗斯也正尝试将联盟2号运载火箭的燃料从RP-1改为“naftil”[17]或“naphthyl”[18] [19]。
  • RP-1标准之后，RP-2也随之开发，主要区别在于硫含量更低[20]。然而，由于大部分使用者已经接受RP-1，缺乏生产和储备RP-2这种更加稀有且昂贵配方的动力。
  • OTRAG集团（英语：OTRAG）在火箭测试中使用了较为常见的燃料混合物。至少有一次试验中，火箭以柴油作为推进剂。然而，没有任何OTRAG火箭（英语：OTRAG (rocket)）成功接近达到轨道。

参考资料

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  1. ^ Using RP-1 As Rocket Fuel - Advantages & Disadvantages. Headed For Space. 
  2. ^ Sutton, George Paul. History of Liquid Propellant Rocket Engines. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2006: 42. ISBN 9781563476495. 
  3. ^ Basics of Space Flight: Rocket Propellants. Braeunig.us. 
  4. ^ Thermophysical Properties Measurements and Models for Rocket Propellant RP-1: Phase I (NISTIR 6646) (PDF). 
  5. ^ Lox/Kerosene. Encyclopedia Astronautica. 
  6. ^ Bilstein, Roger E. Appendix A—Schematic of Saturn V. The NASA History Series. NASA. 1996: 405. ISBN 0-16-048909-1.  Digitized copies are available from the Internet Archive: 1996 edition; first edition.
  7. ^ ISRO Annual Report 2013-14. isro.org. 2015-10-18. 
  8. ^ Basics of Space Flight: Rocket Propellants. Rocket and Space Technology. 
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 Marco Fassina. Preliminary design of an on-board de-orbiting system for Block I (PDF). POLITECNICO DI MILANO. 2010. 
  10. ^ Keith Cowing. Russian Rocket Engines In Many Critical Paths. NASA Watch. 
  11. ^ B. Steigemeier; L. Meyer; R. Taghavi, A thermal stability and heat transfer investigation of five hydrocarbon fuels, Indianapolis, IN, United States: 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 2002 
  12. ^ Mishra, D.P. Fundamentals of Rocket Propulsion (PDF). CRC Press. 2017. 
  13. ^ Roy Langton; Chuck Clark; Martin Hewitt; Lonnie Richards. Aircraft Fuel Systems (PDF). Wiley. 2009. 
  14. ^ RS1. ABL Space Systems. 
  15. ^ Limin Wang; Chunli Tang; Tao Zhu; Fan Fang; Xing Ning; Defu Che, Experimental Investigation on Combustion and NOx Formation Characteristics of Low-Ash-Melting-Point Coal in Cyclone Furnace, American Chemical Society, 2022 
  16. ^ Clark, J. D.; Asimov, Isaac. Ignition! an informal history of liquid rocket propellants. Rutgers University Press. 1972: 105. ISBN 978-0-8135-0725-5. 
  17. ^ Vostochny launches on schedule for 2017. Russian Space Web. 
  18. ^ When will Russia's 1st carrier rocket firing naphthyl blast off?. Russia Now. 2016-10-11. 
  19. ^ Russia completes engine tests of Soyuz rocket's second stage using new fuel. Russian Aviation. 2019-02-22. 
  20. ^ Bret C. Windom; Tara M. Lovestead; Jennifer R. Riggs; Christopher Nickel; Thomas J. Bruno, Assessment of the Compositional Variability of RP-1 and RP-2 with the Advanced Distillation Curve Approach, Boulder, CO, United States: National Institute of Standards and Technology, 2010 

外部链接

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