小火箭出品 本文作者:邢强博士 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。
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。
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。
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。
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
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。 版权声明: |
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