
我們平時形容一個人牛叉,總會說你怎么不上天!近日,世界首富、亞馬遜CEO杰夫·貝佐斯就牛到天上去了,他乘坐液氫燃料火箭進入太空又安全返回。
傳統火箭使用的是普通航空煤油、偏二甲肼和四氧化二氮等推進劑,存在著燃燒不充分以及推力不足的問題,甚至會產生大量有毒氣體。而液氫燃料飛船在起飛時幾乎沒有碳排放,留下的只有廢氣和水蒸氣。考慮到氫能的安全性和環保性等特性,我國在氫能的應用方面也已經走在了世界前列,其中就不乏一些高端領域,如長征五號火箭等。
氫是宇宙中最為豐富的元素,氫能則是由氫元素在物理與化學變化過程中釋放的能量。作為能源,氫能有著極具競爭力的優勢:
生態友好性。與傳統的化石燃料不同,氫氣和氧氣可以通過燃燒產生熱能,也可以通過燃料電池轉化成電能。而在氫轉化為電和熱的過程中,只產生水。
利用高效性。氫氣不僅來源廣泛,還具有導熱良好、清潔無毒和單位質量熱量高等優點。相同質量下的氫所含熱量約是汽油的3倍。
儲運方式靈活便利。與化石燃料不同,氫能是二次能源,可以通過分解天然氣、石油、煤和水來制造。而除了氣態,氫氣還能以液態或固態氫化物出現。
綜合眾多優勢,氫能受到了廣泛青睞。根據國際氫能委員會與麥肯錫聯合發布的報告,目前已有30多個國家和地區發布了氫能發展路線圖,到2030年,全球在氫能項目上的投資將達到3000億美元。
我國在高端領域對氫能的應用非航天莫屬,說起長征五號一些人并不陌生,它執行過天問一號火星探測器、嫦娥五號月球探測器、我國空間站天和核心艙等一系列發射任務,是航天火箭系列的“明星”和“功臣”。它與傳統火箭最大的不同在于,使用了液氫和液氧發動機技術。
長五于2006年正式立項研制。2016年11月3日首飛成功,2020年11月24日4時30分,長征五號遙五運載火箭將嫦娥五號探測器送入地月轉移軌道。
可以說,長征五號的研制成功,標志著中國運載火箭實現升級換代,是由航天大國邁向航天強國的關鍵一步,使中國運載火箭低軌和高軌的運載能力均躍升至世界第二。這也是我國航天領域對氫能應用的一大突破。
長五25噸的運載能力,可以一次將16臺小轎車送入太空。作為我國目前研制中運載能力最大的火箭,長五還有個形象的稱謂,叫“冰箭”。這源于其首次采用零下252℃的液氫和零下183℃的液氧作為推進劑。
氫能有很多優點,同時也很難馴服。長五由我國科研人員花了10年時間研制成功的,克服了無數的技術難題,如氫氧燃料的研制、氫氧發動機的研制、燃料儲箱的研制、儲箱液氫狀態低溫靜力試驗等,突破了12個大項、200多個關鍵核心技術,氫能應用難度可見一斑。
首先,氫氣密度低,在液態情況下密度只有煤油的十二分之一,導致比較大,不容易儲存,而且更易發生危險。
其次,由于其溫度非常低,達到零下200多度,一旦遇到空氣,就會使空氣發生冷凝,容易堵塞管道,而且冰晶撞擊還可能導致氫氣爆炸。所以火箭發射前,必須使用非常復雜的工序清除火箭周圍的空氣,現在使用的是氦氣吹除法。液氫液氧十分不穩定,一旦有液態的氣體遇到高溫物體,就會迅速沸騰,而氫氣沸騰是非常危險的,容易導致火箭發動機毀壞。而接觸的高溫物體就是氫泵,必須做好冷卻工作。
即便氫能應用技術難度很大,特別是在航天等高端技術領域,我國科學家還是在不斷攻堅克難,取得了讓世界矚目的成績。
相信,隨著航天等高端領域氫能應用技術的突破和成熟,這樣的“舊時王謝堂前燕”用不了多久就能以民用的形式“飛入尋常百姓家”。