中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊： 如今，越來越多的人注意到了傳統(tǒng)的偏二甲肼/四氧化二氮燃料的毒性和環(huán)境不友好性。隨著新一代液氧煤油大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，有很多人開始想起了液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。同樣是低溫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，為什么以液氫為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)沒能迅速普及開來呢？實(shí)際上，想要馴服液氫這匹動(dòng)力強(qiáng)勁又個(gè)性十足的野馬需要非凡的耐心和先進(jìn)的技術(shù)。
目前，大推力的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要使用偏二甲肼/四氧化二氮、液氧煤油和液氫液氧三種燃料體系。其中，偏二甲肼/四氧化二氮組合的比沖（火箭發(fā)動(dòng)機(jī)單位重量推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量，其數(shù)值越大表示燃料的效能越高。）為348秒，液氧煤油組合的比沖為347秒。而液氫液氧組合的比沖達(dá)到了457秒，足足比傳統(tǒng)的有毒推進(jìn)劑的比沖高出了31%！這是目前依靠燃燒產(chǎn)生的高速噴流來推進(jìn)的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中少有的比沖超過400秒的。既然性能這么好，那干脆所有的大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)都用液氫液氧組合好了。別著急，液氫可不是這么容易就會(huì)乖乖地為人類服務(wù)的。
冷峻 深處暗藏的危險(xiǎn)
在人們關(guān)注液氫當(dāng)中蘊(yùn)含的巨大能量的時(shí)候，往往會(huì)忽視液氫極低的溫度。作為宇宙中存在數(shù)量最大的原子和元素周期表中排名第一的元素，氫的性質(zhì)當(dāng)然不會(huì)稀松平常。液態(tài)氫的沸點(diǎn)為-253℃。這個(gè)溫度足以使液氫成為一種極為冷峻的物質(zhì)了。在自然界中，只有沸點(diǎn)為?268.9℃的液氦可以和液氫共存。其他的氣體遇到冰冷的液氫只能被凍成冰坨。這原本是一種正常的自然現(xiàn)象，氣體溫度在沸點(diǎn)之下，就會(huì)成為液體，在凝固點(diǎn)之下，就會(huì)進(jìn)一步變成固體。但是，在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜的管路系統(tǒng)中，這個(gè)現(xiàn)象會(huì)蘊(yùn)含著非常大的危險(xiǎn)。通常來說，空氣中有78%的氮?dú)夂?1%的氧氣，氮?dú)獾哪厅c(diǎn)為-210℃，氧氣的凝固點(diǎn)為-218.79℃。在向火箭燃料儲(chǔ)箱中加注液氫的時(shí)候，如果不提前進(jìn)行處理的話，空氣就會(huì)被包裹在沸騰的液氫中，凍成一塊塊的冰顆粒。
實(shí)際上，情況還沒有這么簡單。氮?dú)獾哪厅c(diǎn)雖然比氧氣高一些，看起來會(huì)先被凍住，但其實(shí)氮?dú)夥肿拥某叽巛^小，其逃脫的本領(lǐng)要比氧氣強(qiáng)。根據(jù)大量的測試試驗(yàn)，人們得出了這樣的結(jié)論：被液氫凍住的空氣冰塊中，含氧量高達(dá)52%。我們在做中學(xué)化學(xué)試驗(yàn)的時(shí)候，已經(jīng)見識(shí)過了試管中的氫氣與空氣混合到一定比例的時(shí)候，會(huì)發(fā)生爆鳴的現(xiàn)象。而在52%的氧氣濃度下，液氫的“爆脾氣”很容易被激發(fā)出來，一粒沙子從一米的高度墜落的能量，就足以引爆液氫與高氧濃度冰塊的混合物。在液氫輸送管道中，棱角分明的藍(lán)盈盈的冰坨之間碰撞的能量會(huì)很容易引爆整個(gè)液氫輸送系統(tǒng)。早期研究液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)的美國人在這方面吃了不少苦頭。
即使液氫中凍結(jié)的這些空氣冰塊沒能引起爆炸事故，也會(huì)給火箭發(fā)動(dòng)機(jī)帶來其他隱患?；鸺娜剂陷斔拖到y(tǒng)與人體的血管有一些相似之處，既有粗壯的主動(dòng)脈，也有逐漸變細(xì)的血管直至毛細(xì)血管，中間還會(huì)穿過心臟和其他重要臟器。那些冰塊在主管路中尚能隨著液氫流動(dòng)，但是當(dāng)流到較細(xì)的管道或者閥門處的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生堵塞。即使這些冰塊順利地通過了這些關(guān)卡，也會(huì)最終在噴嘴那里擋住液氫的去處。這就是液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象的一個(gè)原因。
氫氣是宇宙中的已知?dú)怏w里密度最小的，氫氣的體積是同等重量空氣的14倍，要想讓火箭帶上充足的氫氣上天，將氫氣液化幾乎是個(gè)必然選擇?？偛荒茏尰鸺龓еT大無比的氫氣囊發(fā)射吧。（室溫下的氫氣是同等重量的液氫的840倍，想象一下體積變大800多倍之后的火箭?。┑?，液氫極低的溫度又會(huì)導(dǎo)致空氣在里面凍成冰塊。怎樣解決這個(gè)矛盾呢？
技術(shù)人員想到的辦法是：把空氣吹走。上世紀(jì)50年代，在普惠公司和馬紹爾飛行測試中心的共同努力下，美國人研制出了他們的第一臺(tái)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)——RL-10。為了避免燃料管路中出現(xiàn)惱人的冰塊（搞不好是會(huì)要人命的），他們琢磨出了一整套把空氣從火箭儲(chǔ)箱中趕出去的方法：在地面上，用氮?dú)獍褍?chǔ)罐吹一遍，使儲(chǔ)罐中充滿氮?dú)?，這樣即使出現(xiàn)冰塊，也不至于發(fā)生爆炸。然后，用高純度的氦氣把氮?dú)獯底?。因?yàn)楹獾哪厅c(diǎn)是?272.2℃，比液氫的沸點(diǎn)低了將近20℃，因此氦氣是不會(huì)在液氫中凍住的。另外，氦氣是惰性氣體，懶得和氫氣發(fā)生什么瓜葛，殘存的氦氣會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)馀懦觥榱吮ＷC在火箭上升的過程中不會(huì)出現(xiàn)液氫吸收空氣中的氧氣的情況，技術(shù)人員給使用RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)的火箭搭配了裝有高壓氦氣的罐子。在火箭中的液氫燃料進(jìn)入燃燒室之前，一直會(huì)有一股強(qiáng)大的氦氣流吹過液氫箱、推進(jìn)劑輸送管道、燃料泵、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻排氣管和燃燒室，保證液氫一路上不會(huì)與空氣發(fā)生接觸。
RL-10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)版在多種運(yùn)載器上得到了應(yīng)用，土星一號火箭的第二級使用6臺(tái)，半人馬座火箭的上面級使用2臺(tái)，德爾塔-4運(yùn)載火箭上面級使用2臺(tái)。這些火箭的發(fā)射成功率都不低，可見這種液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性經(jīng)過了實(shí)踐的考驗(yàn)。在NASA最新提出的重返月球的計(jì)劃中，RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)有可能繼續(xù)被啟用，用來為登月艙提供穩(wěn)定可靠的動(dòng)力。
歐洲的阿麗亞娜系列火箭也使用了液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)作為低溫上面級。他們的工程師認(rèn)為沒有必要像美國人那樣使用高壓氦氣來折騰薄薄的儲(chǔ)箱，于是就想出了另外一個(gè)法子。他們先用加溫到40℃的氮?dú)獍褟膬?chǔ)箱到燃燒室的整個(gè)管路系統(tǒng)吹一個(gè)小時(shí)。然后，把氦氣灌滿整個(gè)儲(chǔ)箱，直到罐內(nèi)的氣體壓強(qiáng)與外界大氣壓強(qiáng)相同。接著，他們把儲(chǔ)箱抽空并濾走里面的水蒸氣。然后，再次把儲(chǔ)箱充滿氦氣。這樣的操作要連續(xù)進(jìn)行22次之多，以確保阿麗亞娜火箭上面級的液氫管路系統(tǒng)內(nèi)的清潔。整個(gè)吹除過程的持續(xù)時(shí)間長達(dá)5個(gè)小時(shí)。可見，要馴服液氫燃料，從來就不是一件輕松的事情。
活潑 難被禁錮的天性
解決了低溫會(huì)使氧氣結(jié)冰的問題僅僅是走出了第一步?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)確實(shí)能穩(wěn)定工作了，但是馴服液氫的難題在此時(shí)并沒有被完全解決。氫氣是目前已知?dú)怏w中個(gè)頭兒最小的，這就使氫氣本身有著活潑好動(dòng)的天性。而液化后的氫氣的沸點(diǎn)又非常低，在常溫中會(huì)時(shí)刻處于沸騰的狀態(tài)，這使得液氫的儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)睦щy變得大了起來。
冬天，為了避免開水變涼，我們可以把水倒入保溫瓶中存放。保溫瓶的內(nèi)膽設(shè)計(jì)有助于盡量隔絕熱量交換。實(shí)際上，在夏天為了防止冰棍過快融化，也可以把冰棍放到空的保溫瓶中。在儲(chǔ)存液氫的時(shí)候，人們用的也是隔絕熱交換的思路，用厚厚的保溫材料將液氫包裹起來。通常來說，使用常溫燃料的儲(chǔ)箱外殼的重量占裝滿后的儲(chǔ)箱總重量的6%左右，而因?yàn)橐簹鋬?chǔ)箱外面需要鋪設(shè)格外厚的保溫材料，雖然這些材料都非常輕，但仍使得儲(chǔ)箱外殼的重量比例占到了12%左右。
要把液氫留住，僅僅用厚厚的儲(chǔ)箱還是不夠的。我們需要了解氫的脾氣性格才能更好地和它相處。在常溫下，氫氣的密度是空氣的1/14，這是氫氣球能夠飛上天的原因。但是，隨著溫度的變化，氫氣和空氣的密度關(guān)系會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)。在氫氣剛剛從沸騰的液氫中溢出的時(shí)候，它的密度是1.33kg/m3，比周圍的空氣要重一些（0℃的空氣的密度是1.29kg/m3）。于是，剛剛逃出來的氫氣會(huì)有一個(gè)向外向下流動(dòng)的趨勢。氣體的擴(kuò)散速度與氣體分子量的平方根成反比，對于分子量最小的氣體氫氣而言，其擴(kuò)散速度是所有已知?dú)怏w中最快的。這樣快的擴(kuò)散速度就意味著無論是操作液氫還是氫氣，都不能在封閉空間內(nèi)進(jìn)行。對于普通成年人來說，當(dāng)空氣中的氧氣的含量低于12%的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)呼吸困難，意識(shí)逐漸消失的情況。在一間密閉的，層高3米，面積為36平方米的實(shí)驗(yàn)室中，如果打翻了一桶重4.6千克的液氫的話，5秒鐘內(nèi)，就會(huì)讓氫氣的濃度達(dá)到75%，實(shí)驗(yàn)人員將很難有機(jī)會(huì)逃出。在這樣高的濃度中，衣服上的靜電、實(shí)驗(yàn)設(shè)備電路中的小火花都會(huì)讓爆燃的事故在瞬間出現(xiàn)。因此，在操作液氫的時(shí)候，一定要注意通風(fēng)透氣。
另外，液氫的粘度很小。這使得一旦儲(chǔ)罐出現(xiàn)裂縫或者孔洞的話，液氫將會(huì)以很快的速度泄露。還有，泄露的液氫不會(huì)老老實(shí)實(shí)地呆在地面上等人來清理。它們會(huì)很快變成無色無味的氫氣，分散在空中，去追尋它們的自由。而散布在空中的氫氣則總是會(huì)想著鬧出一些大動(dòng)靜的。
我可以用另一個(gè)算例來說明液氫的活潑。我國氣象學(xué)規(guī)定12小時(shí)降水量為30毫米的降雨稱為暴雨。暴雨過后，地面上會(huì)出現(xiàn)大量積水。而如果天上降的是液氫雨的話，地面上將不會(huì)留下一點(diǎn)液氫的痕跡。在常見的泥土地上，液氫的汽化速度是43毫米/分鐘，也就是說，我們把液氫暴雨的“降水量”增大1031倍后，地面上仍然不會(huì)留下液氫“水洼”。
如此活潑好動(dòng)的液氫需要我們用靈敏的監(jiān)測設(shè)備來時(shí)刻注意其動(dòng)向，并且要順著它的意愿，來設(shè)計(jì)儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)姆桨?。比如，在開放空間的液氫閥門下面鋪設(shè)碎石塊，以進(jìn)一步加快液氧的汽化速度，使其迅速擴(kuò)散成不具備爆炸條件的低濃度氫氣。
強(qiáng)勁 傲視群雄的力量
實(shí)際上，液氫對人類還是很友善的，這是一種擁有強(qiáng)大力量的王者所固有的友善。不小心濺到手上的一點(diǎn)液氫并不會(huì)給人造成太大傷害。因?yàn)槿耸稚系乃謺?huì)使液氫迅速汽化，形成一個(gè)保護(hù)層。而溫度遠(yuǎn)沒有液氫低的低溫狀態(tài)下的金屬物體往往會(huì)給接觸它的人的皮膚帶來較大創(chuàng)傷。液氫的這種屬性對于像康斯坦丁·法赫伯格這樣的研究人員來說是極為重要的。（康斯坦丁·法赫伯格是研究煤焦油衍生物的學(xué)者，有一天他吃飯的時(shí)候舔到了自己的手指，嘗到了很甜的味道。于是，他跑回實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跆虮榱怂芘龅降乃形矬w，終于發(fā)現(xiàn)了糖精。）純凈的液氫燃燒起來的火焰幾乎不會(huì)晃瞎眼睛，因?yàn)樗幕鹧孑椛漕l段主要在紅外和紫外區(qū)。而且，液氫的火焰是允許人類靠近的。它向外輻射的熱量比起天然氣和煤油來說要小得多。在因事故引發(fā)的大火中，只要離液氫火源保持在60米左右的距離就不會(huì)立刻被灼傷。而如果是煤油燒起大火的話，遠(yuǎn)在200米之外的人員的裸露皮膚仍會(huì)有被嚴(yán)重灼傷的風(fēng)險(xiǎn)。
液氫液氧的組合構(gòu)成了化學(xué)火箭中的最強(qiáng)動(dòng)力。這股力量蘊(yùn)含在冰冷和恬靜之中。液氫液氧混合物能夠迸發(fā)出的能量是TNT炸藥的5.4倍。（這個(gè)數(shù)據(jù)在土星火箭和半人馬座火箭的幾次試車爆炸事故中得到了充分地驗(yàn)證。）氫在氧中燃燒的速度幾乎是汽油蒸汽在氧中燃燒速度的9倍。在一個(gè)池子中倒入1米深的煤油的話，點(diǎn)燃的煤油用7分鐘的會(huì)燃盡，而如果倒進(jìn)去的是同等體積的液氫的話，只需34秒就能把氫氣中蘊(yùn)含的能量釋放出來，變成滾燙的水蒸氣云團(tuán)。
了解了液氫冰冷的外表下蘊(yùn)含的活潑天性和炙熱內(nèi)心之后，我們就能夠和它友好相處。當(dāng)我們開始尊重它的個(gè)性，不再去禁錮它的天性的時(shí)候，它便會(huì)用強(qiáng)大的力量和傲人的性能給人類以意想不到的回報(bào)了。液氫是宇宙給人類的一種饋贈(zèng)，用于幫助人類走出地球搖籃，踏上茫茫宇宙的遠(yuǎn)大征程。
