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液态氢,一匹桀骜不驯的野马

作者:邢强 来源:小火箭 发布时间:2019-08-26 浏览:
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中国储能网讯: 如今,越来越多的人注意到了传统的偏二甲肼/四氧化二氮燃料的毒性和环境不友好性。随着新一代液氧煤油大推力火箭发动机的发展,有很多人开始想起了液氢液氧发动机。同样是低温燃料发动机,为什么以液氢为燃料的发动机没能迅速普及开来呢?实际上,想要驯服液氢这匹动力强劲又个性十足的野马需要非凡的耐心和先进的技术。

目前,大推力的液体火箭发动机主要使用偏二甲肼/四氧化二氮、液氧煤油和液氢液氧三种燃料体系。其中,偏二甲肼/四氧化二氮组合的比冲(火箭发动机单位重量推进剂产生的冲量,其数值越大表示燃料的效能越高。)为348秒,液氧煤油组合的比冲为347秒。而液氢液氧组合的比冲达到了457秒,足足比传统的有毒推进剂的比冲高出了31%!这是目前依靠燃烧产生的高速喷流来推进的化学火箭发动机中少有的比冲超过400秒的。既然性能这么好,那干脆所有的大推力火箭发动机都用液氢液氧组合好了。别着急,液氢可不是这么容易就会乖乖地为人类服务的。

冷峻   深处暗藏的危险

在人们关注液氢当中蕴含的巨大能量的时候,往往会忽视液氢极低的温度。作为宇宙中存在数量最大的原子和元素周期表中排名第一的元素,氢的性质当然不会稀松平常。液态氢的沸点为-253℃。这个温度足以使液氢成为一种极为冷峻的物质了。在自然界中,只有沸点为−268.9℃的液氦可以和液氢共存。其他的气体遇到冰冷的液氢只能被冻成冰坨。这原本是一种正常的自然现象,气体温度在沸点之下,就会成为液体,在凝固点之下,就会进一步变成固体。但是,在火箭发动机复杂的管路系统中,这个现象会蕴含着非常大的危险。通常来说,空气中有78%的氮气和21%的氧气,氮气的凝固点为-210℃,氧气的凝固点为-218.79℃。在向火箭燃料储箱中加注液氢的时候,如果不提前进行处理的话,空气就会被包裹在沸腾的液氢中,冻成一块块的冰颗粒。

实际上,情况还没有这么简单。氮气的凝固点虽然比氧气高一些,看起来会先被冻住,但其实氮气分子的尺寸较小,其逃脱的本领要比氧气强。根据大量的测试试验,人们得出了这样的结论:被液氢冻住的空气冰块中,含氧量高达52%。我们在做中学化学试验的时候,已经见识过了试管中的氢气与空气混合到一定比例的时候,会发生爆鸣的现象。而在52%的氧气浓度下,液氢的“爆脾气”很容易被激发出来,一粒沙子从一米的高度坠落的能量,就足以引爆液氢与高氧浓度冰块的混合物。在液氢输送管道中,棱角分明的蓝盈盈的冰坨之间碰撞的能量会很容易引爆整个液氢输送系统。早期研究液氢液氧发动机的美国人在这方面吃了不少苦头。

即使液氢中冻结的这些空气冰块没能引起爆炸事故,也会给火箭发动机带来其他隐患。火箭的燃料输送系统与人体的血管有一些相似之处,既有粗壮的主动脉,也有逐渐变细的血管直至毛细血管,中间还会穿过心脏和其他重要脏器。那些冰块在主管路中尚能随着液氢流动,但是当流到较细的管道或者阀门处的时候,就会发生堵塞。即使这些冰块顺利地通过了这些关卡,也会最终在喷嘴那里挡住液氢的去处。这就是液氢液氧发动机在燃烧过程中出现不稳定现象的一个原因。

氢气是宇宙中的已知气体里密度最小的,氢气的体积是同等重量空气的14倍,要想让火箭带上充足的氢气上天,将氢气液化几乎是个必然选择。总不能让火箭带着硕大无比的氢气囊发射吧。(室温下的氢气是同等重量的液氢的840倍,想象一下体积变大800多倍之后的火箭!)但是,液氢极低的温度又会导致空气在里面冻成冰块。怎样解决这个矛盾呢?

技术人员想到的办法是:把空气吹走。上世纪50年代,在普惠公司和马绍尔飞行测试中心的共同努力下,美国人研制出了他们的第一台液氢液氧发动机——RL-10。为了避免燃料管路中出现恼人的冰块(搞不好是会要人命的),他们琢磨出了一整套把空气从火箭储箱中赶出去的方法:在地面上,用氮气把储罐吹一遍,使储罐中充满氮气,这样即使出现冰块,也不至于发生爆炸。然后,用高纯度的氦气把氮气吹走。因为氦气的凝固点是−272.2℃,比液氢的沸点低了将近20℃,因此氦气是不会在液氢中冻住的。另外,氦气是惰性气体,懒得和氢气发生什么瓜葛,残存的氦气会随着发动机的燃气排出。为了保证在火箭上升的过程中不会出现液氢吸收空气中的氧气的情况,技术人员给使用RL-10发动机的火箭搭配了装有高压氦气的罐子。在火箭中的液氢燃料进入燃烧室之前,一直会有一股强大的氦气流吹过液氢箱、推进剂输送管道、燃料泵、发动机冷却排气管和燃烧室,保证液氢一路上不会与空气发生接触。

RL-10火箭发动机的改进版在多种运载器上得到了应用,土星一号火箭的第二级使用6台,半人马座火箭的上面级使用2台,德尔塔-4运载火箭上面级使用2台。这些火箭的发射成功率都不低,可见这种液氢液氧发动机的可靠性经过了实践的考验。在NASA最新提出的重返月球的计划中,RL-10发动机有可能继续被启用,用来为登月舱提供稳定可靠的动力。

欧洲的阿丽亚娜系列火箭也使用了液氢液氧发动机作为低温上面级。他们的工程师认为没有必要像美国人那样使用高压氦气来折腾薄薄的储箱,于是就想出了另外一个法子。他们先用加温到40℃的氮气把从储箱到燃烧室的整个管路系统吹一个小时。然后,把氦气灌满整个储箱,直到罐内的气体压强与外界大气压强相同。接着,他们把储箱抽空并滤走里面的水蒸气。然后,再次把储箱充满氦气。这样的操作要连续进行22次之多,以确保阿丽亚娜火箭上面级的液氢管路系统内的清洁。整个吹除过程的持续时间长达5个小时。可见,要驯服液氢燃料,从来就不是一件轻松的事情。

活泼  难被禁锢的天性

解决了低温会使氧气结冰的问题仅仅是走出了第一步。火箭发动机确实能稳定工作了,但是驯服液氢的难题在此时并没有被完全解决。氢气是目前已知气体中个头儿最小的,这就使氢气本身有着活泼好动的天性。而液化后的氢气的沸点又非常低,在常温中会时刻处于沸腾的状态,这使得液氢的储存和运输的困难变得大了起来。

冬天,为了避免开水变凉,我们可以把水倒入保温瓶中存放。保温瓶的内胆设计有助于尽量隔绝热量交换。实际上,在夏天为了防止冰棍过快融化,也可以把冰棍放到空的保温瓶中。在储存液氢的时候,人们用的也是隔绝热交换的思路,用厚厚的保温材料将液氢包裹起来。通常来说,使用常温燃料的储箱外壳的重量占装满后的储箱总重量的6%左右,而因为液氢储箱外面需要铺设格外厚的保温材料,虽然这些材料都非常轻,但仍使得储箱外壳的重量比例占到了12%左右。

要把液氢留住,仅仅用厚厚的储箱还是不够的。我们需要了解氢的脾气性格才能更好地和它相处。在常温下,氢气的密度是空气的1/14,这是氢气球能够飞上天的原因。但是,随着温度的变化,氢气和空气的密度关系会发生反转。在氢气刚刚从沸腾的液氢中溢出的时候,它的密度是1.33kg/m3,比周围的空气要重一些(0℃的空气的密度是1.29kg/m3)。于是,刚刚逃出来的氢气会有一个向外向下流动的趋势。气体的扩散速度与气体分子量的平方根成反比,对于分子量最小的气体氢气而言,其扩散速度是所有已知气体中最快的。这样快的扩散速度就意味着无论是操作液氢还是氢气,都不能在封闭空间内进行。对于普通成年人来说,当空气中的氧气的含量低于12%的时候,就会出现呼吸困难,意识逐渐消失的情况。在一间密闭的,层高3米,面积为36平方米的实验室中,如果打翻了一桶重4.6千克的液氢的话,5秒钟内,就会让氢气的浓度达到75%,实验人员将很难有机会逃出。在这样高的浓度中,衣服上的静电、实验设备电路中的小火花都会让爆燃的事故在瞬间出现。因此,在操作液氢的时候,一定要注意通风透气。

另外,液氢的粘度很小。这使得一旦储罐出现裂缝或者孔洞的话,液氢将会以很快的速度泄露。还有,泄露的液氢不会老老实实地呆在地面上等人来清理。它们会很快变成无色无味的氢气,分散在空中,去追寻它们的自由。而散布在空中的氢气则总是会想着闹出一些大动静的。

我可以用另一个算例来说明液氢的活泼。我国气象学规定12小时降水量为30毫米的降雨称为暴雨。暴雨过后,地面上会出现大量积水。而如果天上降的是液氢雨的话,地面上将不会留下一点液氢的痕迹。在常见的泥土地上,液氢的汽化速度是43毫米/分钟,也就是说,我们把液氢暴雨的“降水量”增大1031倍后,地面上仍然不会留下液氢“水洼”。

如此活泼好动的液氢需要我们用灵敏的监测设备来时刻注意其动向,并且要顺着它的意愿,来设计储存和运输的方案。比如,在开放空间的液氢阀门下面铺设碎石块,以进一步加快液氧的汽化速度,使其迅速扩散成不具备爆炸条件的低浓度氢气。

强劲  傲视群雄的力量

实际上,液氢对人类还是很友善的,这是一种拥有强大力量的王者所固有的友善。不小心溅到手上的一点液氢并不会给人造成太大伤害。因为人手上的水分会使液氢迅速汽化,形成一个保护层。而温度远没有液氢低的低温状态下的金属物体往往会给接触它的人的皮肤带来较大创伤。液氢的这种属性对于像康斯坦丁·法赫伯格这样的研究人员来说是极为重要的。(康斯坦丁·法赫伯格是研究煤焦油衍生物的学者,有一天他吃饭的时候舔到了自己的手指,尝到了很甜的味道。于是,他跑回实验室几乎舔遍了他能碰到的所有物体,终于发现了糖精。)纯净的液氢燃烧起来的火焰几乎不会晃瞎眼睛,因为它的火焰辐射频段主要在红外和紫外区。而且,液氢的火焰是允许人类靠近的。它向外辐射的热量比起天然气和煤油来说要小得多。在因事故引发的大火中,只要离液氢火源保持在60米左右的距离就不会立刻被灼伤。而如果是煤油烧起大火的话,远在200米之外的人员的裸露皮肤仍会有被严重灼伤的风险。

液氢液氧的组合构成了化学火箭中的最强动力。这股力量蕴含在冰冷和恬静之中。液氢液氧混合物能够迸发出的能量是TNT炸药的5.4倍。(这个数据在土星火箭和半人马座火箭的几次试车爆炸事故中得到了充分地验证。)氢在氧中燃烧的速度几乎是汽油蒸汽在氧中燃烧速度的9倍。在一个池子中倒入1米深的煤油的话,点燃的煤油用7分钟的会燃尽,而如果倒进去的是同等体积的液氢的话,只需34秒就能把氢气中蕴含的能量释放出来,变成滚烫的水蒸气云团。

了解了液氢冰冷的外表下蕴含的活泼天性和炙热内心之后,我们就能够和它友好相处。当我们开始尊重它的个性,不再去禁锢它的天性的时候,它便会用强大的力量和傲人的性能给人类以意想不到的回报了。液氢是宇宙给人类的一种馈赠,用于帮助人类走出地球摇篮,踏上茫茫宇宙的远大征程。

关键字:液态氢

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