航天科技的未来，无毒又环保的火箭推进剂——AND推进剂

事实证明，绿色燃料是火箭科学

太空探索可能能够为我们提供原始的蓝色行星地球的图片，同时提高人们保护环境的意识。但如果使我们进入轨道的火箭是基于陈旧的、有毒的火箭推进剂，那么太空探索对也是不尽美好的。

图解：肼是最常见的火箭推进剂，被列入欧盟的高度关注物质清单。图片来源 - NASA / Joel Kowsky

几十年来，最普遍使用的火箭推进剂是肼——一种有毒的氮氢化合物，欧盟将这种物质列入了高度关注物质清单。同时，肼被怀疑是导致哈萨克斯坦Baikonur火箭发射场周边地区激素和血液疾病异常高发的原因。

这就是为什么位于Lampoldshausen的德国航空航天中心（DLR）的科学家们正在致力于研发新的、更加绿色环保的燃料，这些燃料一方面能使太空探索的方法永不过时，另一方面让太空探索更加环保、友好。

科学家们的努力集中围绕着一种被称为二硝酰胺铵（ADN）的化合物，这种化合物在被加热时仅仅分解为氮气、氧气和水。

RHEFORM空间推进项目的项目领导人Michele Negri 博士这样说道，“ADN是一种氧化剂盐，它首先在苏联被发现，但到20世纪90年代在瑞典被重新发现，瑞典科学家有将ADN发展改造成液体推进剂的想法。”

但问题在于，ADN是一种盐，所以它是固体。尽管它能在甲醇或者氨水等其它燃料中溶解，但需要超过1500℃的高温才能激发这一过程。

“肼燃料推进器的使用不需要预热，如果你打开推进器的阀门，肼燃料推进器就启动了。而对于ADN燃料推进器来说，如果你打开推进器的阀门，推进器内的混合物会以液体形式出现，混合物不会发生反应。” Michele Negri 博士说道。

RHEFORM项目研究了一种基于ADN的推进器——LMP-103S，这种推进器被一家名为ECAPS的瑞典航空航天公司所使用。该公司是RHEFORM项目的合作伙伴，他们已经合作推出了13种基于AND的推进系统。

易点火

为了解决推进剂易被引燃的问题，项目组着眼于开发更优良的、更易于反应的催化剂，使得燃料可以在室温下发生反应。肼燃料推进剂也是沿着相同的早期途径发展到现在的。

“在60年代初，研究者们无法在室温下引燃肼推进剂，但随后，他们开发出了性能足够优秀的催化剂。” Negri 博士说道。

这种催化剂要么通过增加反应面积使得推进剂能够在较低的温度下发生反应，要么通过添加金属类化合物提高混合物反应活性。

“颗粒形式的催化物仅为载体组成，充当载体的是催化物本身，通常为具有较高比表面积的陶瓷材料” Negri 博士说，“最重要的是，你可以在载体中添加活性高的矿物，通常是金属。”

在对多种材料进行检测后，火箭科学家们发现六铝酸盐是充当催化物最好的基础材料。

但是，我们是否可以改进结构简单的颗粒物，获得更理想的比表面积，使其更具有催化活性呢？

3D打印

为了寻找这个问题的答案，科学家们利用计算机建模和3D打印技术创造复杂的蜂窝煤状结构。这种结构被称为整体性结构，增加了催化剂的比表面积。

“这个步骤基本上是在汽车工厂（制造催化转换器）里完成的，用整体性结构代替颗粒。凭借着我们项目合作伙伴LITHOZ（一家3D打印公司）的专业知识，我们能够在陶瓷上打印非常复杂的结构，然后将其制作成催化剂” Negri 博士说。

陶瓷催化剂被放置于火箭发动机的推力室内，推进剂在发射过程中通过发动机喷嘴注入推力室内。

“在我们的实验室试验中，温度高于100℃时，在催化剂作用下，推进剂能够发生反应”他说，“理想的结果是，不需要任何类型的预热，它们能够在常规环境条件下开始反应。”

Negri 博士说，实现室温下AND点火的下一步可能是使用不含水的推进剂。

水让推进剂更加的稳定，运输更加安全，但同时也会让推进剂反应活性降低。

他说“你可以对催化剂的成分进行更多的考虑，对多种不同的催化剂系数进行权衡比较，例如说（催化剂的）性能、比冲量、耐储存性或爆炸性。”

更廉价

AND除了更加绿色环保之外，也更加廉价。“用LMP-103S作为卫星的燃料比用肼做燃料简单得多。第一次发射LMP-103S推进剂卫星时，使用到的人力为发射更加危险的肼燃料卫星的1/3。” Negri 博士补充说，即使LMP-103S推进剂成本稍高，但推进器全寿命成本会更低。

并未参与RHEFORM项目的美国航天局NASA赞同需要更绿色环保的火箭燃料这一观点，同时他们也正在研究更安全的推进系统。

美国宇航局技术示范任务项目负责人Dayna Ise表示，虽然肼推进剂是一种有效的推进剂，但肼的毒性很大，使用它需要采取更加妥善的处理措施。

“无毒、“绿色“推进剂和兼容系统为下一代运载火箭和航天器提供了更安全，更有效的替代方案。”

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.Ethan Bilby- pwq

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