火箭燃料的发展历程以及未来航天器的燃料升级趋势？

固体燃料的鼻祖是中国的火药——黑火药，简称BP。

看菊花紧

固体燃料的发展伴随着化学工业的发展。过程相当复杂，限于篇幅在此不赘述。但总的方向是:不断提高比冲(使用更高能量的燃烧剂和氧化剂)；提高工艺性和稳定性(使燃料制成的药柱具有容易成型、更好的密封性、更好的环境因素耐受性和寿命等。);和更低的成本。使用固体燃料的火箭结构见下图。

典型结构

固体助推器的分段装药结构

至于液体燃料，坦白说，它本身并没有什么革命性的进步。在冯·布劳恩的时代，人们已经知道液氢+液氧可以获得最高的比冲，但当时的结构材料无法满足液氢的贮存温度和强度要求，也不够轻(液氢的密度很低，如果结构重量过大，其比冲优势就会被抵消)。

液氧煤油作为一种低成本无毒的火箭液体燃料方案，在二战末期就已经进入实用状态，后续的发展只是火箭结构包括发动机本身性能的不断改进。

美国航天飞机的计划是极端的。其固体助推器采用高氯酸铵(氧化剂，占质量的69.6%)、铝(燃料，16%)、氧化铁(催化剂，0.4%)、聚合物(如PBAN和HTPB，用作粘结剂和二级燃料，12.04%)和环氧树脂(固化剂)这种推进剂又叫高氯酸铵复合推进剂(APCP)。使用这种推进剂，在海平面的比冲为242秒，在真空中为268秒。这基本上是目前最先进的固体推进剂；它的主发动机采用液氢/液氧低温燃料，燃烧时间长，从点火到入轨。

固液火箭的奇妙组合

到目前为止，化学燃料对火箭的潜力已经基本耗尽，火箭的性能也在接近极限——化学燃料能让火箭或飞船达到的极限速度在几十公里/秒的量级，为了取得突破，需要使用基于核能原理的火箭燃料，比如裂变燃料(下图是对脉冲裂变推进的猎户座飞船的想象)

猎户星座

裂变燃料能使航天器达到的极限是几千公里/秒的量级，这在太阳系内部空间可能足够了，但远远不能满足星际旅行的需要。所以我们还需要聚变燃料及其发动机——下图是对“底达罗斯”号星际飞船的想象。它使用氘氚混合燃料。

迪达罗斯

但即使氢聚变能量耗尽，航天器也无法达到或超过10万公里/秒的量级，这仅相当于光速的30%，只能满足附近恒星的长周期探测需求。

至于未来是否会出现引力能燃料、反物质燃料、真空相变能燃料等想象中的能源，让我们拭目以待。