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新火箭吃上了“压缩饼干”


01
火箭的“压缩饼干”
想象一下,把午餐换成同样重量的压缩饼干,体积瞬间只剩三分之一,却更顶饿。图片电弧熔化器合成二硼化锰二硼化锰(MnB₂)这种新型高能化合物就是火箭的“压缩饼干”:同等推力下,它的体积只有传统铝基燃料的一半。同等体积下,它蕴藏的能量是现役最强火箭燃料的1.5倍,并且还稳定安全。如果火箭能用上这种新燃料,就能空出更多空间,使太空飞行更加高效。图片杨伟强在寻找比钻石更硬的物质过程中找到了二硼化锰
02
化学燃料的新高峰
在航天领域,燃料的能量密度一定程度上决定了火箭能飞多远、能带多少载荷。二硼化锰(MnB₂)这种新型化合物大大提高了未来火箭燃料的能量密度。与目前固体火箭助推器中广泛使用的铝基固态燃料(用高分子材料把铝粉和氧化剂粘在一起,原理类似铝热剂)相比,二硼化锰按重量计算能量高出20%以上,按体积计算更是惊人地高出约150%,这是已知燃料中的最高纪录。
图片
与固体燃料和液体燃料对比
03
新结构新物质
早在1960年,科学家就认为MgB2、AlB2、MnB2等二硼化物有作为高效燃料的潜力。可惜这东西一直存在于理论中,没人能造出来。纽约州立大学奥尔巴尼分校的化学家用3000℃的电弧熔炉,融化锰粉和硼粉压制的颗粒,再极速冷却。这会扭曲硼的晶格,变成稍微扭曲的六边形结构,这个结构像张压着重物的“蹦床”,依靠变形把锰原子锁在中间。这种过度压缩的结构让二硼化锰超级坚硬,压缩的化学键中也储存了庞大的能量。图片计算机模拟的二硼(绿)化锰(紫)分子模型二硼化锰里虽然含有很高的能量,却很安全,蜡烛的火焰都无法点燃。需要用煤油这样的引火剂才能点燃。一旦点燃,这些被压弯的“原子弹簧”会瞬间弹开,发出橙色的强光,释放远比普通金属燃料更高的能量。而且燃烧反应产物轻,不易堵塞发动机喷口,喷气速度更快,推力自然更猛。图片亚稳态二硼化锰(红)与铝基燃料(橙)及其他二硼化物质量能量密度对比
04
优于常见固态推进剂
火箭推进剂的能量密度是衡量其性能的关键指标之一。目前常见的推进剂各具特点:液氢—液氧组合燃烧效率高,能量密度相对较大,但需要超低温储存;混肼-50与四氧化二氮组合性能较为稳定,使用相对方便;无水肼推进剂具有高能量密度、高比冲等优点,但存在毒性大、腐蚀性强等缺点;固体推进剂结构简单、密度大,但能量密度通常较低。近年来,液氧甲烷推进剂也因其清洁、成本低、更利于回收复用等优势受到关注。二硼化锰作为一种新型高能燃料,其能量特性优于目前常用的铝基燃料,为固体火箭推进剂提供了新的选择。

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