神奇搭档把“胖五”送上天

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  1月5日,由航天科技集团五院研制的发射重量最重、技术含量最高的高轨卫星——实践二十号卫星成功定点。一周前,被称为“胖五”的长征五号遥三运载火箭在海南文昌航天发射场点火升空,将实践二十号卫星送入预定轨道。

  专家介绍,大家之所以亲切地把长征五号称为“胖五”,是因为它首次采用了5米直径箭体结构,全长约57米,起飞重量约870吨,相比其他长征系列火箭要粗壮有力得多。而且“胖五”不同于目前常规火箭使用的化学燃料,其燃料大部分是-183℃的液氧和-253℃的液氢——这已经接近低温的极限,所以又被称为“冰箭”。

  众所周知,氢和氧是组成水分子的两种基本元素,氢气和氧气在一定条件下能够燃烧。那么,氢和氧燃烧为何能形成如此强大的推力?这些极度低温的液氢、液氧又是如何制取和保存的呢?

  气体界的“神奇搭档”

  在元素周期表上,气体界的氢和氧是一对“神奇搭档”,因为它们在一起可以燃烧甚至爆炸,而他们化合后形成的水又能灭火。

  氢、氧这两种元素都极为活跃,通过化学反应,氢氧原子结合可以得到水。但我们在做氢气燃烧的试验时,却很少能看到有水滴下来,这是因为燃烧时温度很高,水是以气体的形式存在的。

  水在100℃下变成水蒸气,其体积剧烈膨胀,可以达到1618倍,于是就有了强大的动能,蒸汽驱动发电机组、机车就是利用了水由液态变为气态的膨胀动能。

  常温下氢气和氧气则是以气态存在的,通过预冷和膨胀节流等工艺,把氢气降温到-253℃,可以得到液氢,密度是普通氢气的780倍。液氧的制取也是同样原理,在-183℃时氧气变为液态,密度可以达到普通氧气的860倍。氢气和氧气变成液态,可以高效地储存和运输。

  反过来,液氢和液氧升温气化后就会剧烈膨胀,和水高温下变为水蒸气剧烈膨胀一样产生强大动能,总膨胀比达到780:1和860:1,在作为推进剂时,能为发动机提供很高的比冲。再加上氢和氧化学反应时,以热和光的形式释放大量能量,因此液氢液氧被作为“神奇搭档”广泛应用于工业生产和军事方面。与相同推力的其他推进剂相比,采用液氢液氧推进剂的运载火箭重量可以下降50%。

  “胖五”的“动力心脏”

  专家介绍,火箭想要升空,要满足一个基本的条件,那就是反冲力要大于重力,而反冲力全靠喷射气体得来。根据动量定理,动量取决于速度和质量,所以喷射气体的速率要很大,燃料燃烧放出自己的内能,再通过改变气体的体积来做功,即气体膨胀,这样气体就会往外喷射。

  目前在已知的火箭推进剂中,液氢与液氧组成的双组元低温液体推进剂能量最大、比推力最高,燃烧后产生的高压水汽,其喷气速度可达4.2千米/秒。

  据了解,液氢液氧火箭发动机的基本组成包括推力室、推进剂供应系统和发动机控制系统等。液氢液氧推进剂贮存在推进剂贮箱内,当发动机工作时,推进剂按照要求的压力和流量输送至燃烧室,经雾化、蒸发、混合和燃烧,生成高温高压燃气,温度高达3300℃,再通过喷管加速至超声速排出,从而产生推力,这便是推动火箭的原动力。

  目前大推力火箭一般分为三级。一级火箭由于需要垂直克服重力和空气阻力,因此最为庞大;待火箭有一定速度以后倾斜上升就不再需要如此大的推力,这时采用二级火箭;待载荷接近指定高度火箭的速度已经非常高,这时采用三级火箭将载荷入轨,最后释放载荷进行微调即可靠重力维持在轨运动。

  据了解,本次“胖五”的动力心脏——大推力氢氧发动机和液氧煤油发动机都是全新研制的。其中芯一级采用2台YF-77氢氧发动机,单台推力50吨,这也是中国推力最大的氢氧火箭发动机。芯二级采用2台YF-75D膨胀循环氢氧发动机,单台推力9吨。助推器采用8台YF-100高压补燃液氧煤油发动机,单台推力120吨。

  空分制氧简单易得

  除了航空航天,目前化工、冶金生产中也会用到大量氧气,主要通过空气分离法制取氧气。众所众知,空气中的主要成分是氧气和氮气,利用氧气和氮气的沸点不同(氮的沸点是-196℃,氧的沸点-183℃),从空气中制备氧气称空气分离法。

  华鲁恒升空分车间主任杨光磊介绍说,空气分离法制氧是个物理变化,首先把空气预冷、净化(去除空气中的少量水分、二氧化碳和灰尘等杂质),然后进行压缩、冷却,使之成为液态空气。然后利用氧和氮沸点的不同,在精馏塔中把液态空气多次蒸发和冷凝,将氧气和氮气分离开来,得到99.6%的纯氧和99.9%的纯氮。如果增加一些变压吸附装置,还可以提取出氩、氖、氦、氪、氙等在空气中含量极少的稀有惰性气体。

  由空气分离装置产出的氧气,经过压缩机的压缩,最后将压缩氧气装入高压钢瓶贮存,或通过管道直接输送到工厂、车间使用。

  杨光磊表示,使用这种方法生产氧气,虽然需要大型的成套设备和严格的安全操作技术,但是产量高,每小时可以产出成千上万立方米的氧气,而且所耗用的原料仅仅是不用买、不用运、不用仓库储存的空气,所以从1903年研制出第一台深冷空分制氧机以来,这种制氧方法一直得到最广泛的应用。

  近几年,我国空分装置和技术发展很快,单套装置已具有每小时制取8万甚至10万立方米高压氧气的能力,现广泛用于大型煤气化生产。

  化工制氢前景广阔

  氢能不仅是重要的化工原料,也是未来的新能源,制氢技术是开发氢能的前提和基础。

  “煤化工企业与氢有着天然的血缘关系,水煤气法制氢一直是传统氮肥企业的优势。”山东化肥和煤化工行业协会有关专家介绍说,目前水煤气法制氢,主要用无烟煤或焦炭为原料,与水蒸气在高温时反应而得水煤气。净化后再使它与水蒸气一起通过触媒,令其中的一氧化碳转化成二氧化碳,可得含氢量在80%以上的气体,压入水中以溶去二氧化碳后,再通过铜液除去残存的一氧化碳而得较纯氢气。这种方法制氢成本较低、产量很大,简单易行。

  此外,石化行业也可以用石油热裂的合成气和天然气制氢。石油热裂副产的氢气产量很大,常用于汽油加氢,这种制氢方法在世界上很多国家都采用。

  “从目前产业和技术的发展程度来看,煤制氢是较为经济实用的清洁高效技术,对生态环境友好,经济效益可观。”资深煤化工专家任相坤表示,规模化水煤气法制氢成本在0.8元/立方米左右,相比至少2元/立方米的天然气制氢,及成本更高的电解水制氢,前者优势明显。根据我国“富煤、少油、贫气”的能源结构以及以煤为主的能源消费特点,以煤炭为原料制取氢能是当前最经济、最现实的技术路线。此外,依托大型炼厂开展煤与石油综合利用工业化示范,使用以煤气化为核心的制氢系统,将有利于缓解清洁燃料供应紧张问题,减少环境污染。


关键字:液氢
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