化石燃料

化石燃料 有人说化石燃料冲出太阳系都费劲，有没有下一代星际旅行的燃料？

答：化学燃料推进器的比冲量很有限，无法实现载人星际旅行，人类要想彻底离开太阳系，必须发展新一代的推进器，比如太阳风推进器，离子推进器等等，而理想的能量则来自于可控核聚变。

在上世纪，美国首先实现了载人登月，从地球轨道到月球之间的转移，阿波罗系列飞船使用了液氢和液氧作为燃料，其中携带的燃料基本占了整个飞船重量的一半。

对于把飞船从地面运送到地球轨道的土星五号，第一级总质量大约2300吨，其中燃料（液氢+液氧）占了2160吨，第二级总质量大约500吨，其中燃料占了456吨，第三级总质量大约120吨（只是壳体和发动机，不包括阿波罗飞船），其中燃料占了110吨。

由此可见，传统的化学燃料推进器效率非常低，为了把大约45吨（包括飞船自身燃料）的阿波罗飞船送上月球，整个过程差不多消耗掉2700多吨的燃料，如果要把载人飞船发射到更远的地方，消耗的燃料会更多。

比冲量描述推进器效率的关键参数是比冲量，指单位质量的推进剂所能产生的冲量，比如液体火箭推进器的比冲量为2500~4500N·S/kg，固体火箭推进器的比冲量为2000~3000N·S/kg。

液体火箭推进器和固体火箭推进器都使用化学燃料，其原理是燃烧化学燃料产生高温高压的气体，然后利用反作用力来推动火箭前进，决定推进器效率的就是气体离开火箭时的相对速度，对于化学燃料火箭来说，燃烧温度可达3000~5000℃，产生的推力很大，但是持续时间短，很快就会把燃料消耗殆尽。

离子推进器也称作等离子发动机，是下一代最具潜力的航天发动机之一，其原理是把气体电离，然后在强电场的作用下把离子高速喷出，瞬间温度可达100万度，效率是常规化学推进器的数十倍，理论上可以把航天器加速到100公里每秒的速度以上。

离子推进器喷出的是等离子，产生的推力比不上常规化学推进器，但是离子推进器可以维持长时间的推力，最终把航天器加速到很高的速度，比冲量很高。

目前离子推进器已经有了应用，比如日本的隼鸟二号探测器，美国的黎明号探测器等等，但是只做为调整姿态的辅助推进器。

太阳帆推进器太阳帆也是一种理想的航天推进器，利用太阳光产生的光压，对飞船进行缓慢的加速，也许加速度只有0.00001g，但是长时间的加速也能让飞船达到很高的速度，而且整个过程不需要消耗飞船本身的能源，只要附近有恒星即可，缺点是距离恒星太远后，加速效果会大大降低。

星际航行的能源如果人类要想离开太阳系，离子推进器配合可控核聚变是最理想的搭配，可控核聚变提供源源不断的能量，离子推进器则把能量转化为飞船本身的动能。

目前各个大国都在全力研发可控核聚变技术，比如中国的“人造太阳”，美国的激光点火技术等等，一旦可控核聚变技术得到攻克，人类就能彻底解决能源问题，彻底摆脱对化石燃料的依赖。

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有人说化石燃料冲出太阳系都费劲，有没有下一代星际旅行的燃料？从第一次进入太空起，到现在已经过去了半个多世纪，但我们依然对火箭发射抱有万般热情，甚至前几天的胖五发射时最佳观景区人满为患，因为它连接的是天地，通向的是星辰大海和未知。

但从1926年3月16日罗伯特·戈达德在麻省奥邦城发射的第一枚液体火箭（液氧和汽油）之后，人类的火箭技术在原理和燃料上并没有太大的改变，即使到现在为止化学燃料火箭仍然是人类前往太空的主力，但火箭技术发展到现在，除了前往近地轨道化学火箭主力以外，星际航行真的局限太大了，难道就没有更先进的燃料或者技术了吗？第一枚液体火箭发明者戈达德关于火箭燃料刚刚我们聊到了罗伯特·戈达德的第一枚火箭用的是液氧和汽油，其实最早的火箭应该算中国古代的黑火药推进的火箭，因此在火箭领域里有固体火箭和液体火箭两种！固体火箭：燃料中含有氧化剂，比如最早的就是黑火药液体火箭：燃料和氧化剂是分离的，两者在燃烧室相遇点燃当然黑火药现在仅仅是用在俗称二踢脚的炮仗上了，再也么有人将它用在火箭上。

固体推进剂就是氧化剂、燃料（可燃剂）和其他添加剂组成的固态混合物，按配方可分为单基推进剂、双基推进剂、复合推进剂、改性双基推进剂等，或者按能量水平分为低能、中能和高能推进剂，或者有烟无烟推进剂（导d这方面比较讲究）固体火箭的燃料常常也作为导d的燃料，比如PBAN推进剂就被民兵III和航天飞机的固体助推器使用，法国的M4导d用的CTPB推进剂，我国的巨浪-1也用CTPB复合推进剂！ 法国的M51使用的是高能NEPE推进剂，当然高能推进剂作为助推器再合适不过！液体燃料则最早是汽油与液氧，或者酒精液氧，或者液氧与煤油，或者硝酸与烃类，当然还有我国除了长九与长五以外用的最多的是化二氮与偏二甲肼等，除了燃料不同以外还有不同的燃料供应方式（比如涡轮泵，早期是挤压式）以及不同的燃烧循环（比如膨胀循环和分级燃烧循环）等，当然这些结构都对火箭的比冲和推力都有非常大的区别，但本质上并没有太大的差异！关于推力和比冲上文说的推力和比冲都是火箭发动机有两个非常关键的指标，很多人搞不清楚推力和比冲之间的关系，认为发动机推力越大越好，我们以当年的土星五号第一级火箭F1发动机和俄罗斯最牛逼的RD180发动机为例F1单台推力6672.333千牛，比冲260秒，RD180单台推力4151.9千牛，比冲311秒F1发动机看起来F1的推力秒杀了RD180，但大家都知道RD180比F1发动机要先进得多， 我们可以这样来理解比冲，即单位燃料产生同样的推力，比冲高的要持续得更久，简单的说两台发动机，如果推力一样，比冲高的明显省节省燃料。

如何提高推力和比冲？F1发动机和RD180都是煤油机，F1是燃气发生器循环，RD180是高压分级燃烧循环，当然它们的比冲让这高下立分，F1发动机是阿波罗登月时期的杰作，到现在已经过去了半个世纪，而最NB的煤油机比冲仍然只有进步了不到100S（RD180是前苏联的产物，到现在仍然神一样的存在），因此在结构和燃烧方式上的进步是有天花板的，比如在大气层内工作的涡扇发动机可以轻易达到3000S以上涡轮喷气-冲压-火箭的空天发动机所以改变工作机制是最快的捷径，将0-60千米内的工作阶段切换成利用大气层内氧气的工作方式，那么轻易的就可以将煤油机的比冲从300多秒提高到2000秒以上，再不济1000S也是火箭望其项背一样的存在，在60千米以上的高空则切换到火箭模式，那么至少在这段时间内比冲可以大大增加，但到了太空还是会存在极大的局限性，因此必须要有一种革命性的机制来替代化学燃料。

离子电推和霍尔电推前者比冲比后者高，但后者推力更大，这种发动机原理也不复杂，“燃料“电离后将离子和电子分离，比较重的离子在电场下加速向后导出，根据作用与反作用定律，飞行器将会获得一个向前的推力，而电子则从电子q或者以发动机加速的模式与离子中和，避免发动机电荷积累！离子电推的喷气速度比化学火箭喷气速度高成百上千倍以上，因此这种发动机比冲极高，可以达到3000S以上，VASIMR则可以达到30000S以上，对于化学火箭来说碾压的，但它们的推力极小，化学火箭以千牛计，离子发动机以毫牛计！可惜两者从原理上来说完全不能相通，无法做到高推力与高比冲兼顾！使用高能燃料两条路子，一条是增加燃料密度，比如全氮阴离子盐，它的威力是TNT的10-100倍以上，这对固体助推器来说如何利用是一个问题，另外还有金属氢，这个密度下能量密度非常可观，但无论哪个难度都极大，特别是金属氢，迄今为止尚未有机构制造出来过（各位相信哈佛大学物理学家把金属氢弄丢了吗？不如再造一块？）。

美国宣布合成出金属氢另一条路子就是利用现有的核裂变技术，裂变材料裂变时的质量亏损转换为能量，这种原子能的能量密度是化学材料无法比拟的，因此它的比冲将高达5000-10000秒（利用气体堆芯），但它的后遗症也是非常明显的，放射性污染，或者潜在的放射性污染，即使我们设计的结构不会将放射性污染带出喷气口，那么它万一故障坠毁呢？所以这条路依然难以走通！关于星际航行发动机我们所说的星际航行可能是太阳系内的，时间一般为数月数年甚至数十年，如果是恒星际，那么可能是数百年甚至上千年，当然我们以现有的作用与反作用力原理的发动机类型为例！那么我们将会发现一个问题，即使发动机比冲再高，它所携带的介质总会有耗尽时候，而且极有可能的情况是燃料依然非常充足，但介质没有了，比如离子发动机和核裂变发动机！离子发动机：电能加速氙离子或者其它介质核裂变发动机：裂变高温加热气体或者其它介质化学火箭发动机这种比冲只有几百秒的渣渣就不考虑了，但在这种超高比冲的发动机上，将会装载大量的介质，也就是所谓的工质，因此这会有一个问题，也就是《三体》中章北海极力推崇的无工质核聚变发动机，其实这还是有工质，只不过工质与燃料一体了，这对于长时间在深空工作的发动机意义非常大，因为只要携带燃料一种，不仅降低结构复杂度，也降低总装质量。

不需要多余工质的发动机有吗？当然有，当前的暴力型在飞船屁股后面丢核d的发动机就算不需要多余工质（其实化学火箭也是），或者《三体》直接用核聚变辐射推进型发动机，或者现实点EMDRIVER（无工质微波推进），这些都是不需要多余工质的发动机，但提供能量的的燃料明显是少不了的，其中EMDRIVER是不丢弃质量，理论上来看是非常理想的发动机。

但推力比离子电推还要小，实在够呛。

翘曲空间的曲速引擎则是最理想的发动机，因为它的原理将让它不再受到光速的限制，完全可以在人类寿命内跨越银河系甚至到达仙女星系，这是任何一种作用于反作用力发动机无法达到的，但很可惜，到现在为止还仅仅停留在想象中！