長征五號的硬骨頭-液氫(桀驁不馴的火箭燃料)

長征五號的硬骨頭——液氫〔桀驁不馴的火箭燃料〕中國神話傳奇中有一個桀驁不馴的代表人物——齊天大圣孫悟空。這個人物后來被如來佛祖戰(zhàn)勝，被緊箍咒給馴服，然后變成了實力強(qiáng)大的正面人物。其實在航天燃料領(lǐng)域也有這么一個桀驁不馴的家伙，實力強(qiáng)大但又不服管教，一旦人類馴服了它，它又格外省心。這個角色對氫氣來說那是當(dāng)之無愧的。一、實力強(qiáng)大1.無處不在，儲量豐富氫元素，是宇宙中含量最高的元素，太陽系全部星球加到一起，有90%以上的重量都是氫元素，其他星系也是差不多。無論走到那里，氫元素都是格外普遍的。假設(shè)將來用這樣的物質(zhì)作燃料，那將是取之不盡用之不竭的。2.密度小，身體輕氫氣是密度最小的氣體之一，早先的氫氣球可以做成飛艇載人飛11倍多。用液氫燃料的火箭要比用煤油燃料的火箭輕很多。對于火箭來說，自身體重越小，攜帶燃料越多，運載力量就越強(qiáng)，用液氫燃料的火箭明顯符合這樣的條件。甚至將來的核動力火箭，也會使用液氫作為等離子體原料，產(chǎn)生強(qiáng)大的推力。3.能量高，脾氣3000度的高溫，能量也很高，液氫液氧燃燒的能量是TNT炸藥的5.4倍。對于火箭來說，起飛時推力越大越好，但飛起來以后則是比沖越大越457秒，比其他燃料的比沖都高，比一些固體燃料能高出將近一倍，比一般液體燃料也能機(jī)。固然，假設(shè)考慮核聚變中可能用到氫的兩種同位素氘和氚，那么氫的能量就更加強(qiáng)悍了，將來的火箭也可能使用聚變反響來產(chǎn)生強(qiáng)大推力。4.最干凈，最清潔中國長征二號和長征三號的主發(fā)動機(jī)燃料是偏二甲肼和液態(tài)四氧化二氮，這樣的燃料本身是有毒的，而且燃燒產(chǎn)物也是含有有毒氣體的〔在不能保證完全燃燒的狀況下。很多固體燃料火箭，也是環(huán)境不友好的。至于使用液氧煤油發(fā)動機(jī)的火箭，雖然算作清潔能源火箭，但是燃燒的產(chǎn)物照舊有二氧化碳這樣的溫本身無毒，燃燒產(chǎn)物就是水，完全是清潔無污染的。不僅是火箭，就連汽車也曾經(jīng)考慮使用氫氣作為燃料。美國爭論了氫氣燃料汽車幾十年，直到奧巴馬上臺才放慢了腳步。用氫氣和氧氣制作成的燃料電池，不產(chǎn)生任何有毒氣體，而且不產(chǎn)生熱量，完全把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能供汽車使用，效率格外高，唯一困難的就是氫氣難以儲存，汽車攜帶有難度。氫燃1.捉迷藏雖然氫號稱是宇宙中最多的化學(xué)元素，但是地球上卻找不到氫氣的影子，由于地球的引力太小，早先的氫氣全部都逸散掉了。要想在地球上找到氫氣是格外困難的，我們現(xiàn)有的氫氣主要是從水里面電解出來的。假設(shè)考慮到人類需要先發(fā)電，然后從水里面把氫氣電解出來，最終再把氫氣燃燒變回水，這樣的一個循環(huán)，不僅不能制造能量，而且還有能量損耗，從經(jīng)濟(jì)制備本錢也是不低的。但是考慮到氫氣的強(qiáng)大威力，人們還是寧可舍近求遠(yuǎn)也要把氫氣從五指山下挽救出來。2.難壓縮上文說到了，氫氣密度格外小，都可以做成飛艇把人帶到天上。因此火箭假設(shè)直接用氫氣作燃料的話，那后面得背上多大一個氣包啊。這樣的大氣包得給火箭帶來多大的阻力啊！因此要想把氫氣用作火箭的燃料，就必需把氫氣壓縮液化。想液化氫氣，可沒有液化石油氣那么簡潔，必需要格外低的25378度，液氮的溫度是零196此想把氫氣變成液體是很困難的，一旦變成液體，儲存和保溫也是很難的事情?，F(xiàn)在的氫氧燃料火箭不僅要制作密封性很好的液氫儲罐，還要包裝上厚厚的保溫材料才行。補(bǔ)充一不僅用于火箭有優(yōu)勢，做成武器更是威力無比。美國科學(xué)家已經(jīng)宣稱制備出來了，但距離大量制備和常溫常壓下有用還有很長的路。很低的溫度，空氣都能凍住〔注：本圖不是固態(tài)空氣而是冰〕3.難相處液氫是比較難相處的材料，由于它的溫度太低了，很多材料包括很多金屬在這樣的低溫環(huán)境下，都會變脆，在猛烈的震驚下就會碎裂掉〔而火箭起飛時是必定有猛烈震驚的。因此氫氧發(fā)動機(jī)的輸送管道以及液氫泵的材料都是特制的。各個國家都在這方面吃過虧，包括美國在內(nèi)的各個國家都在研制大推力氫氧發(fā)動機(jī)的過程中遇到了液氫泵軸承故障的難題。我們國家的長征五號據(jù)信也是一臺發(fā)動機(jī)的液氫泵消滅了問題。不僅如此，液氫如此低溫，還會把空氣給凍成固體，固體空氣很有可能堵塞管道，而且被凍住的空氣里還有固態(tài)的氧。固態(tài)氧與氫氣接觸也是很危急的，再加上固態(tài)空氣與管道摩擦可能產(chǎn)生靜電，那就更危急了。而正常的火箭貯箱里都是有空氣的，要想不發(fā)生意外，就必需在灌裝液氫以前先把空氣趕跑，這個過程主要靠氦氣趕走空氣。因此，全部的氫氣燃料火箭放射前需要的預(yù)備時間都是很長的。SLS液氫貯箱更要命的是，萬一氫氣發(fā)生泄漏，與空氣混合是很簡潔發(fā)生爆炸的，因此，火箭準(zhǔn)備和排練的過程中，必需要有足夠多的安全防護(hù)措施。各個1978年試驗氫氧發(fā)動機(jī)爆炸十幾人受傷。日本研制氫氧發(fā)動機(jī)時也發(fā)生過爆炸。4.暴脾氣即使氫氣不泄露，不爆炸，低溫能抑制，對于火箭發(fā)動機(jī)來說，氫氧火焰的溫度也是很難忍受的，到底這是3000有足夠的降溫措施才行，多數(shù)氫氧發(fā)動機(jī)就是通過液氫給發(fā)動機(jī)壁來降溫的。即使這樣，發(fā)動機(jī)內(nèi)壁材料也難以忍受這樣高溫的蹂躪。目前國際上主要有兩種材料能滿足氫氧發(fā)動機(jī)內(nèi)壁的需求，一種是西方主流的銀鋯銅合金，一種是中國使用的鋯銅合金，我國使用的材料性能要比銀鋯銅差一些。有朋友說了，我們也用銀鋯銅不就行了？其實這是材料科學(xué)的一個難題。對于一種材料來說，只知道成分是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還要知道制造工藝。就像我們古代的唐刀、棠溪寶劍現(xiàn)代人需要不斷摸索才能參透工藝的隱秘。航天材料也是一樣的，我們需要對材料的制作方法和加工方法進(jìn)展攻關(guān)，將來可以用到型大推力氫氧發(fā)動機(jī)上。液氫具有無可替代的優(yōu)勢，是現(xiàn)階段抱負(fù)的火箭燃料，我們國家必需加大力度摸透它的脾氣，研制最高效的緊箍咒——大推力氫氧發(fā)動機(jī)，才能在將來的航天舞臺上穩(wěn)占第一梯隊的陣營。期望青少年朋友們立志投身國家的火箭研發(fā)或者材料科學(xué)研發(fā)，將來必定大有作為。歡送大家關(guān)注我的頭條號，以后會連續(xù)給大家共享科普知VS獵鷹重型，重型火箭大比拼〔一〕軍事航天寵——超燃沖壓發(fā)動機(jī)動向〔一〕「生活中的科學(xué)