长征五号的硬骨头-液氢(桀骜不驯的火箭燃料)

长征五号的硬骨头——液氢〔桀骜不驯的火箭燃料〕中国神话传奇中有一个桀骜不驯的代表人物——齐天大圣孙悟空。这个人物后来被如来佛祖战胜，被紧箍咒给驯服，然后变成了实力强大的正面人物。其实在航天燃料领域也有这么一个桀骜不驯的家伙，实力强大但又不服管教，一旦人类驯服了它，它又格外省心。这个角色对氢气来说那是当之无愧的。一、实力强大1.无处不在，储量丰富氢元素，是宇宙中含量最高的元素，太阳系全部星球加到一起，有90%以上的重量都是氢元素，其他星系也是差不多。无论走到那里，氢元素都是格外普遍的。假设将来用这样的物质作燃料，那将是取之不尽用之不竭的。2.密度小，身体轻氢气是密度最小的气体之一，早先的氢气球可以做成飞艇载人飞11倍多。用液氢燃料的火箭要比用煤油燃料的火箭轻很多。对于火箭来说，自身体重越小，携带燃料越多，运载力量就越强，用液氢燃料的火箭明显符合这样的条件。甚至将来的核动力火箭，也会使用液氢作为等离子体原料，产生强大的推力。3.能量高，脾气3000度的高温，能量也很高，液氢液氧燃烧的能量是TNT炸药的5.4倍。对于火箭来说，起飞时推力越大越好，但飞起来以后则是比冲越大越457秒，比其他燃料的比冲都高，比一些固体燃料能高出将近一倍，比一般液体燃料也能机。固然，假设考虑核聚变中可能用到氢的两种同位素氘和氚，那么氢的能量就更加强悍了，将来的火箭也可能使用聚变反响来产生强大推力。4.最干净，最清洁中国长征二号和长征三号的主发动机燃料是偏二甲肼和液态四氧化二氮，这样的燃料本身是有毒的，而且燃烧产物也是含有有毒气体的〔在不能保证完全燃烧的状况下。很多固体燃料火箭，也是环境不友好的。至于使用液氧煤油发动机的火箭，虽然算作清洁能源火箭，但是燃烧的产物照旧有二氧化碳这样的温本身无毒，燃烧产物就是水，完全是清洁无污染的。不仅是火箭，就连汽车也曾经考虑使用氢气作为燃料。美国争论了氢气燃料汽车几十年，直到奥巴马上台才放慢了脚步。用氢气和氧气制作成的燃料电池，不产生任何有毒气体，而且不产生热量，完全把化学能转化成电能供汽车使用，效率格外高，唯一困难的就是氢气难以储存，汽车携带有难度。氢燃1.捉迷藏虽然氢号称是宇宙中最多的化学元素，但是地球上却找不到氢气的影子，由于地球的引力太小，早先的氢气全部都逸散掉了。要想在地球上找到氢气是格外困难的，我们现有的氢气主要是从水里面电解出来的。假设考虑到人类需要先发电，然后从水里面把氢气电解出来，最终再把氢气燃烧变回水，这样的一个循环，不仅不能制造能量，而且还有能量损耗，从经济制备本钱也是不低的。但是考虑到氢气的强大威力，人们还是宁可舍近求远也要把氢气从五指山下挽救出来。2.难压缩上文说到了，氢气密度格外小，都可以做成飞艇把人带到天上。因此火箭假设直接用氢气作燃料的话，那后面得背上多大一个气包啊。这样的大气包得给火箭带来多大的阻力啊！因此要想把氢气用作火箭的燃料，就必需把氢气压缩液化。想液化氢气，可没有液化石油气那么简洁，必需要格外低的25378度，液氮的温度是零196此想把氢气变成液体是很困难的，一旦变成液体，储存和保温也是很难的事情。现在的氢氧燃料火箭不仅要制作密封性很好的液氢储罐，还要包装上厚厚的保温材料才行。补充一不仅用于火箭有优势，做成武器更是威力无比。美国科学家已经宣称制备出来了，但距离大量制备和常温常压下有用还有很长的路。很低的温度，空气都能冻住〔注：本图不是固态空气而是冰〕3.难相处液氢是比较难相处的材料，由于它的温度太低了，很多材料包括很多金属在这样的低温环境下，都会变脆，在猛烈的震惊下就会碎裂掉〔而火箭起飞时是必定有猛烈震惊的。因此氢氧发动机的输送管道以及液氢泵的材料都是特制的。各个国家都在这方面吃过亏，包括美国在内的各个国家都在研制大推力氢氧发动机的过程中遇到了液氢泵轴承故障的难题。我们国家的长征五号据信也是一台发动机的液氢泵消灭了问题。不仅如此，液氢如此低温，还会把空气给冻成固体，固体空气很有可能堵塞管道，而且被冻住的空气里还有固态的氧。固态氧与氢气接触也是很危急的，再加上固态空气与管道摩擦可能产生静电，那就更危急了。而正常的火箭贮箱里都是有空气的，要想不发生意外，就必需在灌装液氢以前先把空气赶跑，这个过程主要靠氦气赶走空气。因此，全部的氢气燃料火箭放射前需要的预备时间都是很长的。SLS液氢贮箱更要命的是，万一氢气发生泄漏，与空气混合是很简洁发生爆炸的，因此，火箭准备和排练的过程中，必需要有足够多的安全防护措施。各个1978年试验氢氧发动机爆炸十几人受伤。日本研制氢氧发动机时也发生过爆炸。4.暴脾气即使氢气不泄露，不爆炸，低温能抑制，对于火箭发动机来说，氢氧火焰的温度也是很难忍受的，到底这是3000有足够的降温措施才行，多数氢氧发动机就是通过液氢给发动机壁来降温的。即使这样，发动机内壁材料也难以忍受这样高温的蹂躏。目前国际上主要有两种材料能满足氢氧发动机内壁的需求，一种是西方主流的银锆铜合金，一种是中国使用的锆铜合金，我国使用的材料性能要比银锆铜差一些。有朋友说了，我们也用银锆铜不就行了？其实这是材料科学的一个难题。对于一种材料来说，只知道成分是远远不够的，还要知道制造工艺。就像我们古代的唐刀、棠溪宝剑现代人需要不断摸索才能参透工艺的隐秘。航天材料也是一样的，我们需要对材料的制作方法和加工方法进展攻关，将来可以用到型大推力氢氧发动机上。液氢具有无可替代的优势，是现阶段抱负的火箭燃料，我们国家必需加大力度摸透它的脾气，研制最高效的紧箍咒——大推力氢氧发动机，才能在将来的航天舞台上稳占第一梯队的阵营。期望青少年朋友们立志投身国家的火箭研发或者材料科学研发，将来必定大有作为。欢送大家关注我的头条号，以后会连续给大家共享科普知VS猎鹰重型，重型火箭大比拼〔一〕军事航天宠——超燃冲压发动机动向〔一〕「生活中的科学