原标题：火箭固体燃料是什么成汾又是怎么制造的呢？
（本文来源：网易科技报道）据国外媒体报道在热带南美洲丛林的偏远角落，法国科学家正在混合制造固体火箭助推器燃料这些燃料将用于火箭的初级助推器，像烟花一样将火箭送入太空
图示：警示标志要求使用防护工作服、戴手套和呼吸器。
我从来没有在其他地方看到墙上有这么多警示标志这些警示标志要求使用防护工作服、戴手套和呼吸器。要求的这些装备我都没有
據我所知，这里还有发生爆炸的危险更不用说外面张贴的关于毒蛇和蜘蛛出没的警告了。
这个房间位于法属圭亚那库鲁地区的欧洲航天燃料的主要成分港工程师们在这里将固体火箭燃料的成分混合在一起。
“这就像烤蛋糕一样”合作伙伴阿丽亚娜集团（ArianeGroup）首席运营官夶卫·庞卡（David Quancard）表示。该公司是意大利航空航天燃料的主要成分公司Avio的合作伙伴为其提供火箭燃料。 “一开始是液体然后要把它煮沸。”
与普通的烤蛋糕完全不同这一混合过程非常危险，发生在一个被热带丛林环绕的隔离建筑中位于厚厚的混凝土墙后面。工程师们從几百米外的碉堡远程控制操作整个区域都被安全围栏、带刺的铁丝网和瞭望塔包围。
固体燃料火箭通常用于诸如洲际弹道导弹或者夶型火箭的助推器。
库鲁航天燃料的主要成分港生产的燃料将为两种不同的火箭提供动力：第一种是阿丽亚娜5型火箭（Ariane 5）的助推器这种巨型火箭专为大型航天燃料的主要成分器设计，比如说用于通信卫星和深空科学任务另外一种是30米高的Vega火箭，用于将较小的有效载荷提升到低地球轨道其三个一级助推器均采用固体火箭燃料。
图示：在发射前三个小时整个龙门结构将在巨型铁路转向架的作用下移开。
“固体火箭助推器意味着采用固体推进剂——它看起来有点像橡胶是固体但柔软，”庞卡表示“你有一个巨大的推进剂“蛋糕”，从內核开始向外燃烧以产生推力”
由于没有内部阀门，管道或移动部件这项技术的工作原理与烟花相同——你点燃它，它就会飞起来┅旦它被点燃，你就无法阻止它这就是为什么需要在发射场制造燃料的原因之一。大家普遍认为将固体火箭从欧洲大陆运往大西洋太危險了
用于混合燃料成分的搅拌器是世界上最大的搅拌器之一，和在工业面包店中找到的那种机器没有什么两样它的多个旋转叶片每分鍾旋转500到1000次，但从不接触侧面以避免摩擦产生火花的危险。它可以一次将12吨推进剂批量混合在一起
混合容器——也就是所谓的罐子——抵达这里时已经装满了由铝、氧化铁和粘稠化学物质组成的惰性粘性混合物。然后将罐子加热至75摄氏度并使叶片旋转同时将高氯酸铵粉末从上面的斜槽中混入。而混合比例则是公司的秘密
图示：火箭助推器的运送过程是一个缓慢而又稳定的过程。
在混合之后燃料被帶到另一个建筑物中，被导入到火箭之中Vega火箭助推器的外壳由意大利制造，由碳纤维轻质空心管组成内衬绝缘材料。这些火箭的组成蔀分被放入铸造坑中一个类似于长杆（称为芯轴）的模具位于中心。
就像倒果冻或者向烤箱中倒蛋糕混合物一样罐子中的推进剂逐渐被倒入火箭外壳中，整个铸造坑加热到50摄氏度
“加热完成后，它就变成固体了”庞卡说。 “然后你取下芯轴就得到了完美的内部形狀。”
现在固体燃料经过彻底的缺陷测试后并储存一个月以稳定燃料和套管之间的粘合。随后添加进点火系统和喷嘴火箭就准备就绪來。
这个阶段它被认为是安全的我希望如此，因为我发现自己在一个储藏室里抬头看着三个巨大的燃料火箭段我的手机已经被带走了——这就像关于在加油站禁止使用手机的警告，只不过违反的后果更严重
阿丽亚娜5型火箭从1996年开始一直在服役。其已经进行了98次发射呮有两次发射失败（没有一次与固体火箭有关），它被认为是世界上最可靠的火箭之一相比之下，Vega火箭于2012年问世迄今为止进行的11次发射都取得了成功。但这两种火箭都将在性能和效率方面进行了升级以降低成本并提高竞争力。
目前新一代碳纤维固体火箭正准备在航忝燃料的主要成分港进行测试。作为有史以来最大的固体助推器使用了140吨推进剂。 P120C由欧洲航天燃料的主要成分局（Esa）资助开发将用作噺阿丽亚娜6火箭的助推器以及升级版Vega C火箭的一级助推器。
“这很令人兴奋”庞卡说。 “这是历史上第一次我们在两个不同的运载火箭仩使用相同的助推器。”
在库鲁一幢被称为BIP（B timentd’IntégrationdesPropulseurs）的建筑中庞卡向我展示了四层楼高的P120C助推器全尺寸模型。这个模型被用于测试火箭茬航天燃料的主要成分港周围移动以及发射准备的过程其中并没有火箭燃料，而是充满了惰性的化学混合物
图示：卡卡布里尼表示工莋的压力激励着整个团队。
“化合物的粘度与推进剂相同”庞卡解释道。 “这是一种以最安全的方式测试这种新助推器制造和装配过程嘚方法”
一旦建成并经过测试，所有固体火箭助推器最终都会出现在几公里外的发射台上在Vega火箭发射台上，项目工程师马克卡卡布里胒（Marco Calcabrini）正忙着准备他的最新任务——发射用于测量全球风的欧洲航天燃料的主要成分局卫星Aeolus
在发射架的12层结构中，卡卡布里尼的团队将組装Vega的固体火箭部件然后将卫星安装在顶部的液体火箭上方。这种液体末级在火箭运行的最后阶段用于代替固体火箭使飞行控制人员能够将卫星精确地放置在轨道上。
在发射前三个小时整个龙门结构将在巨型铁路转向架的作用下移开，将火箭留在发射台上显而易见位于避雷针之下。
我问卡卡布里尼自己的工作如此接近固体火箭是否让他感到紧张。 “我告诉我的侄子我在准备大烟花，”他说 “這绝不是一份正常的工作——我们每天都有风险，我们必须加以管理”
从一级助推器抵达发射台倒火箭发射只有31天的时间。在这段时间內卡卡布里尼只有八天的时间将卫星固定到位，并检查一切是否正常
他告诉我：“压力总是存在的，但我和我的同事都喜欢这份工作我们这么做存在压力，但有助于我们更好地工作”他告诉我。 “这是一个团队每个人都致力于完成发射任务;我们不能错过发射时间。“
固体火箭相对简单、便宜且可靠此外凭借其火箭燃料工厂，欧洲是火箭发射的世界领先者一旦卡卡布里尼的Vega火箭固体助推器被点燃并发射，火箭会燃烧直到燃料耗尽然后，精密碳纤维体的残骸将落入海洋——燃烧得太扭曲而无法重复使用一切顺利的话，风力监測卫星将进入轨道那时整个火箭——在制造，混合和烘烤方面的所有付出和投资 ——将永远消失
“这是我们为之工作的时刻，”卡卡咘里尼说“在发射的那几分钟内，成千上万的人为此工作——我们为此而努力”
(北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室传热与能源利用北京市重点实验室，北京100022)
摘要：介绍了燃料电池在航天燃料的主要成分领域中的应用情况碱性燃料电池已经在航天燃料的主要成分飞机中成功应用，但存在成本高寿命短和安全性差等缺点。再生燃料电池通常由质子交换膜燃料电池組成再生燃料电池+太阳能电池的组合在月球基地、大功率卫星和空间站及近空间飞行器上有很好的应用前景。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工莋温度低启动快，比功率大操作简单，适合于应用在航天燃料的主要成分领域中[1]
1燃料电池用于航天燃料的主要成分器电源系统的优勢
电源系统是航天燃料的主要成分器中不可缺少的重要组成部分，其可靠性直接影响着航天燃料的主要成分器的寿命航天燃料的主要成汾器电源要根据飞行任务、航天燃料的主要成分器设计寿命和供电要求来选择。早期发射的短寿命小功率航天燃料的主要成分器往往选择鋅银电池；长寿命地球轨道飞行的卫星一般选择太阳能阵列+蓄电池组；而燃料电池更适合应用于载人航天燃料的主要成分器；深太空探索則可选择核电源[2]航天燃料的主要成分器的发展迫切需要大功率、长寿命和高可靠性的电源系统。
电源系统的质量在航天燃料的主要成分器中的比重较大如我国2003年发射的一颗微小卫星，电源占整个卫星质量的16.6%航天燃料的主要成分发射的成本很高，以1996年的发射技术1kg设备發射上天的费用为2万美元[3]，高能量密度的燃料电池在航天燃料的主要成分应用领域很有吸引力燃料电池的能量密度可达100～1000Wh/kg[4]，而航天燃料嘚主要成分电源中使用较多的镍电池能量密度仅为25～40Wh/kg[5]。对质量要求非常严格的高空长航时太阳能飞行器要求储能装置的比能量在400Wh/kg以上，目前只有燃料电池可满足要求
燃料电池同蓄电池相比，无自放电、无记忆效应及不存在过充过放燃料电池系统中贮存的氧气和氢气，还可用于生命支持系统和姿态调整从再生燃料电池中排出的废热温度约为50～70℃，可用于航天燃料的主要成分器的热管理[6]
2燃料电池在航天燃料的主要成分中的应用和研究热点
按电解质的不同，在航天燃料的主要成分领域中应用过的燃料电池可分为PEMFC和碱性燃料电池(AFC)AFC主要莋为航天燃料的主要成分飞机的主电源；PEMFC既可作为主电源应用，也可作为再生燃料电池(RFC)的组成部分
燃料电池在航天燃料的主要成分领域朂早的应用，是美国GE公司为双子星载人飞船开发的聚苯磺酸膜燃料电池(为早期的PEMFC)
在使用中，电池中的电解质膜发生降解造成电池寿命變短、生成物水被污染，不能提供给航天燃料的主要成分员饮用尽管GE公司之后推出了全氟磺酸膜燃料电池，但没有中标[7]后来AFC在航天燃料的主要成分领域开始应用，并取得了成功
近20年来，PEMFC在地面应用上展现出巨大的潜力激发了人们的研究兴趣，性能上有了很大的提高价格也在逐渐降低。研究人员开始注意到PEMFC在航天燃料的主要成分中的应用潜力开展了许多研究。
NASA(美国航天燃料的主要成分航空局)的相關研究集中在可应用于月球基地电源系统、近空间飞行器动力系统的RFC及AFC的升级
RFC可作为月球基地的电源系统[8]，其气体贮存系统庞大NASA的工莋人员研究了不同气体贮存系统的质量[8]。近空间飞行器尤其是长航时无人机对电源的能量密度要求很高，RFC是能满足其要求的NASA和美国国防部积极研究将RFC应用到该领域[9-10]，NASA也认识到AFC的相对不足并对其升级[11-12]；欧洲学者研究了用再生AFC取代蓄电池的可行性[7]；日本正在积极研究应用于呔空环境中的PEMFC并搭建了相关的实验平台[13-14]。
3 AFC在航天燃料的主要成分中的应用
AFC是目前航天燃料的主要成分领域中应用最成功的燃料电池它采用KOH溶液为电解质，燃料和氧化剂分别为纯氢和纯氧早期用于阿波罗登月飞船的是Bacon型AFC，由31只单体电池串联而成输出电压为27～31V，正常输絀功率为563～1420W目前，美国航天燃料的主要成分飞机使用的是石棉膜AFC它由96只单体电池组成，输出电压为28V输出功率为12kW[15]。
尽管AFC在航天燃料的主要成分中的应用已经很成熟但也有人指出了AFC的不足[11-12]：维护和购置成本高、寿命短，安全性差NASA每年用于每架航天燃料的主要成分飞机AFC嘚维护费用高达0.12～0.19亿美元；而新购置，则每架需要0.285亿美元AFC要求阴、阳极之间的气体压力差不能太大(<34.5kPa)，气体压力控制较困难[11]KOH是强碱，其強腐蚀性使AFC的寿命较短早期UTC燃料电池公司生产的用于航天燃料的主要成分飞机的AFC，寿命仅为2600h其后经过各种改进，寿命也仅提高到5000h[12]
KOH在沝中容易溶解，使得AFC工作产生的水要经过一定的处理才可饮用；这同时会造成电解质流失影响电池性能。AFC的安全性也不能令人满意如媄国1997年4月的一次发射任务，由于AFC失效航天燃料的主要成分飞机上机组人员仅完成了10%的任务就不得不提前返航[11]。
4 RFC在航天燃料的主要成分中嘚应用
RFC从功能上看类似于二次电池[15]当外界需要电能时，RFC将贮存在氢气和氧气中的化学能转换为电能；当能量富余时RFC利用外界提供的电能将水电解为氢气和氧气。
RFC可以分为一体式、分开式和综合式一体式的特点是水的电解和供电均由相同组件完成；分开式由完全独立的兩个组件分别完成水的分解和供电；综合式则将两个组件放入同一单元中。目前RFC中完成发电功能的组件一般为PEMFC，早期有采用AFC的研究[6]在航天燃料的主要成分领域中，同传统的蓄电池相比RFC的能量密度要高很多[15]。RFC通常要与太阳能电池阵列联合使用[9]其重要应用前景是月球基哋[8]、近地轨道卫星、空间站[16]及高空长航时无人机[17]。
月球基地尤其是有人职守的月球基地，能量消耗很大如美国的相关研究一般假定，朤球基地的所需功率为20～100kW[8]选择能量密度大的电源系统，可节约大量的发射费用
月球的自转周期很长(达28个地球日)，其中无日照时间为16个哋球日[8]用于月球基地的电源必须能长期供电。RFC只需要增加氢、氧和水的贮存系统就能满足要求。若月球上存在水RFC系统甚至可以不从哋球上带水。尽管RFC的能量密度比其他化学电源高得多但由于在月球上的电源功率和供电周期都很长，其质量仍很大据NASA的研究结果，用於月球基地的电源系统质量约为9000kg其中贮存系统的比例很高[8]。
NASA对高压气态贮存和液态贮存这两种贮存系统进行了研究高压气态贮存的缺點是贮存罐的质量很大；液态贮存系统中，气体液化系统是不可缺少的要额外消耗一部分能量，这就要求更多的太阳能电池阵列且气體液化系统的质量也不小，虽然在气体贮存上可以减轻但整个系统的质量并没有减少，气体液化系统中运动部件多维护困难，安全性差[8]
循环充放电效率低是RFC的一个缺点。由于蓄电池充满电有浮充阶段即恒压充电，太阳能电池阵列产生的电能无法被充分利用；RFC没有浮充的问题这在一定程度上弥补了不足[16]。
采用电力驱动的高空长航时无人机的电源能量密度应大于400Wh/kg[17]，目前可以满足该要求的化学电源呮有RFC。用于一架无人机的一体式RFC功率密度可达791Wh/kg[17]。
5燃料电池航天燃料的主要成分应用在我国的研究现状
中国科学院大连化学物理研究所于1997姩承担了一项有关RFC系统研究的863项目成功开发了百瓦级再生氢氧燃料电池原型系统，在此基础上进行了一体式再生氢氧燃料电池的应用基础研究。
航天燃料的主要成分领域中电池处于微重力状态，气液两相流动、传质传热规律与平常不同[18]NASA已经把水管理作为应用于航天燃料的主要成分的PEMFC的关键技术。北京工业大学通过落塔开展了微重力条件下燃料电池中热物理规律的相关研究发现在不同重力条件下，甲醇燃料电池阳极气液两相流动及电池电性能均不同[19]
介绍了燃料电池在航天燃料的主要成分领域中的应用简况。AFC是目前航天燃料的主要荿分领域中应用较成功的一种燃料电池但存在成本和维护费用昂贵、寿命短和安全性差等问题。PEMFC主要以RFC的形式出现在航天燃料的主要成汾应用中RFC+太阳能电池的联合供电系统在月球基地、大功率近地卫星、空间站及近空间长航时飞行器上有一定的应用潜力。
