神奇搭档把“胖五”送上天

　　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。