第46章 未来主力
冷湖火星营地沈星海对围着他的同学们说：“我先来说说比较常见的火箭燃料，首先是rp-1，这个rp-1是精制煤油的代号，r是refined，意思是精炼，p是煤油的首字母，1是标准号。
如果使用原始的煤油作为火箭燃料，因为煤油是混合物会分解和聚合，轻质量的成分会产生气泡，重质量的成分会产生沉积物，沉积在火箭发动机上，并阻塞狭窄的冷却通道，缺乏冷却则进一步提升了燃烧室的温度，加速了煤油的分解。
如此恶性循环，很快发动机就报废了，于是化学家造出来能抗热不分解的碳氢燃料，也就是航天煤油rp-1，rp-1曾助力土星五号火箭，完成了人类历史上的首次载人登月。
接着是液氢燃料，nasa的航天飞机靠液氢燃料带来了无数的荣耀和辉煌，精制煤油和液氢相互比较，各有优缺点。
如果单纯从能量的释放效率上计算的话，液氢的理论比冲约为460秒，绝对是最高的。第二是甲烷，它的理论比冲为380秒，而rp-1的理论比冲仅有360秒。
比冲是衡量航天发动机动力效率的关键指标，460秒不是指燃料在发动机一次性燃烧时间，而是在消耗单位重量推进剂的前提下，发动机能够保持规定推力的时长，这个时间越长，火箭就能飞的越高，那么燃料性能也就越好。
如果单从比冲上去衡量的话，液氢的性能明显高于甲烷和rp-1，当之无愧是最好的，甲烷相较于rp-1又有大约5的性能提升，这也是之前nasa研发的航天飞机，以及我国长征5号系列火箭选择液氢作为主燃料的原因。
不过，我们也不能忽略一个现实，上面只是单纯的比较燃料燃烧的性能，没有考虑选择液氢需要付出什么样的代价。在1986年1月28日上午，美国斥巨资12亿美元研发的“挑战者号”航天飞机发射至太空，美国民众聚集在广场上，准备为航空飞机的发射欢呼，期待见证历史的时刻。
不料，在“挑战者”号升入上空的第73秒后，飞机外挂燃料箱突然爆炸，挑战者号变成了一团燃烧的巨型火焰，接着航天飞机在分叉的烟雾和火焰中解体，飞机碎片散落到各地，直到1小时后所有的碎片才完全散落至地面。
随着碎片残骸的掉落，挑战者号航天飞机上的7名航天员无一人生还！这其中航天飞机燃料仓的大量液氢难逃其咎。
液态氢的保存对温度的要求非常苛刻，氢的沸点是-253摄氏度，难以置信的是氢的冰点也就只有-259摄氏度，只比沸点低6度，可见氢想要以液体状态存在，温度就必须控制在-259摄氏度和-253摄氏度之间，温度高了液氢直接气化，温度低了液氢又会固化，这就为什么要求装载液氢的燃料仓在温度传递上高度绝缘，一旦燃料仓中氢的温差超过6度的话，后果不堪设想。
另外氢原子的密度和体积都很小，这使得氢原子具有很强的空隙效应，容易被吸入原子晶格中，聚集在不规则和晶格缺陷如同微孔和砂眼中的氢原子可以再次结合成氢分子，这样会导致材料脆变，造成金属出现微小裂痕，削弱了发动机燃料循环系统的整体强度，而航天发动机内部到处充斥着高压，当金属裂缝遇到高压，那么灾难又可能一触即发。
再有就是氢氧组合燃烧时温度高达3000摄氏度，这个温度太高了足够可用于熔融和切割一般金属，虽然绝大多数火箭发动机都搭载了循环冷却系统，但依然对发动机的金属材料有很高的要求，没有超高的材料学工艺，想在火箭中使用液态氢基本是不可能的！
最后液氢的密度只有70千克每立方米，而液态甲烷的密度是4225千克每立方米，按这个数字计算火箭要装载等重的液态氢和液态甲烷，氢燃料仓的体积要大于6倍甲烷燃料仓的体积。
如果使用氢气就会增加燃料仓的的重量，火箭自身的重力提高了，相对的火箭的有效载荷就降低了，从这点上看氢气的高比冲毫无意义还不如直接用甲烷划算。
目前多数火箭仍以rp-1作为燃料。因为rp-1有两个比较明显的优势。第一rp-1的密度是809千克每立方米，这个密度比液态的甲烷大了两倍，火箭可以实现比甲烷更小的燃料仓。第二rp-1常温下液态形式存在，存储方便。
看上去rp-1是个相对来说不错的燃料，不管你选择rp-1、液氢、还是甲烷，在氧化剂的选择上，液态氧依然是首选，氧气的沸点是-183摄氏度，冰点是-219摄氏度。
rp-1的冰点只有-60摄氏度，如果把它们俩放到火箭燃料仓里，就必须要在rp-1的燃料仓和液氧的燃料仓之间添加隔温设施，这又增加了火箭内部设计两个隔温燃料仓的复杂度。
液态甲烷的沸点是-162摄氏度，冰点是-184摄氏度，这里甲烷的优势非常明显，甲烷这种特性使得液态甲烷仓和液氧仓之间几乎不需做任何隔温设施。另外在制造成本上看，每公斤rp-1大约比液态甲烷贵了15倍，rp-1的性价比太低。
另外rp-1燃烧之后会产生大量的碳，虽然大多数的含碳物质会被排放到大气中，但还是会有少部分燃烧不完全的煤油，会附着在发动机内外表面，这又无形增加了发动机排污系统和冷却系统的复杂度。
对比使用甲烷的发动机，因为甲烷的沸点很低，即使出现不完全燃烧现象也会以气体形式被排到发动机之外，另外甲烷燃烧之后只会产生二氧化碳和水，发动机的清洁工作变得特别的容易。
从以上的种种我可以知道，选择火箭燃料，甲烷相较于液氢而言，它降低了发动机的设计复杂度以及发动机材料耐热的苛刻要求，再有甲烷的性价比最高，它比rp-1便宜且易清洁又相对环保，甲烷理直气壮地成为了火箭发动机燃料的未来主力。
你们想想火星上没有办法制造出rp-1但是制造甲烷是可以的，所以罗伯特祖布林书里写的没有毛病。”
因为沈星海解释了萨巴蒂埃二氧化碳还原系统，古慧英已经是彻底地对这位沈老师心服口服了，作为火箭设计技术员的沈星海，关于火星火箭燃料为什么选用甲烷，一番详细而又专业的分析，让大家对火箭燃料有了一个全新的认识，更让认为在火星上用氢气和二氧化碳制备甲烷是脱裤子放屁的方永元听得哑口无言。
“听说这两位老师是男女朋友，都在中科院冷湖赛什腾山天文台工作，真是厉害的人物。”有人在小声议论沈星海和贾雯雯。
因为谢欣怿和展高寒一样看过《赶往火星》，谢欣怿刚才站出来声援展高寒，没想到被方永元，古慧英和其他几个同学一顿围殴，实在没办法只能向沈星海求援，这下谢欣怿可得意了，他骄傲地仰着头扫视教室里的同学。
还有认为二氧化碳就是已经释放过化学能的稳定的氧化终态不能作为能源的望仪文表示不服：“沈老师你说火星上是可以将二氧化碳转化为氧气，这又是怎么做到的？”