單组元推進劑火箭(英語:Monopropellant rocket)或单组元火箭是一種只使用单一化学物質(即单组元推进剂)作为其推进剂的火箭。
化学反应的單基火箭,化学物质形成推力並提供推进动力。即推进太空船需要的能量被包含在化学分子的键結之内。
最常用的單基推进剂是聯胺(N2H4),一种强还原剂。聯胺不需使用点火器,而最常见的催化剂是帶有铱塗層的氧化铝顆粒。这些包衣颗粒通常使用商业标签 Aerojet S-405(以前由壳牌制造) [1]或 WCHeraeus H-KC 12 GA(以前由 Kali Chemie 制造)[2]。 Aerojet S-405 是一种自发催化剂,与聯胺接触时即將其分解,產生氮气、氢气和氨气的混合物,并大量放热产生1,000 °C(1,830 °F)的高溫。單基火箭的主要限制因素是其寿命,主要取决于催化剂的寿命。催化剂可能会受到汙染或磨损,从而导致催化剂失效。另一种單基推进剂是过氧化氢,当纯化到 90% 或更高浓度时,它会在高温下或在催化剂影響下自分解。
大多数化学反应單基推进剂火箭系统由一个燃料槽組成,通常是一个钛或铝的空心球,以及一个装有燃料的乙丙橡胶容器或表面张力推进剂管理装置。之後會用氦气或氮气对油箱加压,将燃料推向发动机。一根管道从油箱通向提升阀,然后通向发动机的分解室(雙基才會有燃燒室)。通常,卫星不會只有一个推進器,而會有两到十二个(通常是兩兩一組),每个都有自己的阀门。
用于卫星和太空探测器的姿态控制火箭发动机通常非常小,直径 25 mm(0.98英寸)左右,并以一組四支、指向同一平面上四个方向的方式安装。
當電腦向一个打开阀門的小型电磁铁发送直流电訊號时,推進器就会噴射。噴射時間通常很短暫,僅有几毫秒,如果在空气中操作,听起来就像是把鹅卵石扔到金属垃圾桶上;如果长时间开啟,它会发出刺耳的嘶嘶声。
化学反应單基推进不如其他一些推进技术有效率。但是当对简单、可靠的需求程度,超过对高能量的需求时,工程师会选择單基推进剂系统。如果推进系统必须产生大量推力或高比衝,如在星际航行的主发动机上,则使用其他技术。
有工程師提出的一个想法是低地球轨道(Low Earth Orbit, LEO)推进剂儲藏库,可作為其他太空船在任务途中暫停、加油的中繼休息站。大量液態氫儲存在充滿辐射热的太空环境裡,不可避免的將被氣化。這些氣態氫雖然無法充填給太空船,卻可用在中繼站的單基推进剂太阳热推进系统,用於維持軌道與姿态控制,以及提供有限的推进剂和推力進行轨道變換,以便與其他太空船会合,这些太空船将从中繼站接收燃料。[3]
太阳能加热單基推进器也是美国联合发射联盟公司(ULA) 提出的下一代上層级火箭设计不可或缺的一部分。先進通用进化级(Advanced Common Evolved Stage, ACES) 目標是成为成本更低、功能更强大也更灵活的上層级,补位甚至取代现有的 ULA 半人馬座火箭以及 ULA 三角洲低温第二级(DCSS) 等上層級火箭。 ACES載具流体整合 (Intergrated Vehicle Fluids, IVF) 选项取消了太空船中的所有聯胺和氦气(通常用于姿态控制和軌道維持),而是依靠使用废棄氢氣的太阳能加热單基推进器。[4]
NASA 正在为小型、低成本的太空船开发一种新的單基推进系统,其Δv要求介於 10-150 m/s 間。该系统使用硝酸羟铵(HAN)/水/燃料单基推进剂混合物,该混合物密度极高、对环境友善、簡單且性能優秀。[5]
EURENCO Bofors 公司通过将 65% 的二硝胺铵(NH4N(NO2)2)溶解在 35% 的甲醇和氨水溶液中,製造出 LMP-103S 作为與聯胺一比一的替代品。LMP-103S 比聯胺單基推进剂的比衝高6%,單位密度推進率(impulse density)高 30%。此外,聯胺對人體有剧毒和致癌性,而 LMP-103S 仅具有中等毒性。 LMP-103S 是联合国 1.4S 级 (允许在商用飞机上运输)、不需要特殊处理,并已於 2010 年在 Prisma 卫星上驗證。 LMP-103S 可望取代聯胺成为最常用的單基推进剂。[6]
the waste hydrogen that has boiled off happens to be the best known propellant (as a monopropellant in a basic solar-thermal propulsion system) for this task. A practical depot must evolve hydrogen at a minimum rate that matches the station keeping demands.