我们平时形容一个人牛叉,总会说你怎么不上天!近日,世界首富、亚马逊CEO杰夫·贝佐斯就牛到天上去了,他乘坐液氢燃料火箭进入太空又安全返回。
传统火箭使用的是普通航空煤油、偏二甲肼和四氧化二氮等推进剂,存在着燃烧不充分以及推力不足的问题,甚至会产生大量有毒气体。而液氢燃料飞船在起飞时几乎没有碳排放,留下的只有废气和水蒸气。考虑到氢能的安全性和环保性等特性,我国在氢能的应用方面也已经走在了世界前列,其中就不乏一些高端领域,如长征五号火箭等。
氢是宇宙中最为丰富的元素,氢能则是由氢元素在物理与化学变化过程中释放的能量。作为能源,氢能有着极具竞争力的优势:
生态友好性。与传统的化石燃料不同,氢气和氧气可以通过燃烧产生热能,也可以通过燃料电池转化成电能。而在氢转化为电和热的过程中,只产生水。
利用高效性。氢气不仅来源广泛,还具有导热良好、清洁无毒和单位质量热量高等优点。相同质量下的氢所含热量约是汽油的3倍。
储运方式灵活便利。与化石燃料不同,氢能是二次能源,可以通过分解天然气、石油、煤和水来制造。而除了气态,氢气还能以液态或固态氢化物出现。
综合众多优势,氢能受到了广泛青睐。根据国际氢能委员会与麦肯锡联合发布的报告,目前已有30多个国家和地区发布了氢能发展路线图,到2030年,全球在氢能项目上的投资将达到3000亿美元。
我国在高端领域对氢能的应用非航天莫属,说起长征五号一些人并不陌生,它执行过天问一号火星探测器、嫦娥五号月球探测器、我国空间站天和核心舱等一系列发射任务,是航天火箭系列的“明星”和“功臣”。它与传统火箭最大的不同在于,使用了液氢和液氧发动机技术。
长五于2006年正式立项研制。2016年11月3日首飞成功,2020年11月24日4时30分,长征五号遥五运载火箭将嫦娥五号探测器送入地月转移轨道。
可以说,长征五号的研制成功,标志着中国运载火箭实现升级换代,是由航天大国迈向航天强国的关键一步,使中国运载火箭低轨和高轨的运载能力均跃升至世界第二。这也是我国航天领域对氢能应用的一大突破。
长五25吨的运载能力,可以一次将16台小轿车送入太空。作为我国目前研制中运载能力最大的火箭,长五还有个形象的称谓,叫“冰箭”。这源于其首次采用零下252℃的液氢和零下183℃的液氧作为推进剂。
氢能有很多优点,同时也很难驯服。长五由我国科研人员花了10年时间研制成功的,克服了无数的技术难题,如氢氧燃料的研制、氢氧发动机的研制、燃料储箱的研制、储箱液氢状态低温静力试验等,突破了12个大项、200多个关键核心技术,氢能应用难度可见一斑。
首先,氢气密度低,在液态情况下密度只有煤油的十二分之一,导致比较大,不容易储存,而且更易发生危险。
其次,由于其温度非常低,达到零下200多度,一旦遇到空气,就会使空气发生冷凝,容易堵塞管道,而且冰晶撞击还可能导致氢气爆炸。所以火箭发射前,必须使用非常复杂的工序清除火箭周围的空气,现在使用的是氦气吹除法。液氢液氧十分不稳定,一旦有液态的气体遇到高温物体,就会迅速沸腾,而氢气沸腾是非常危险的,容易导致火箭发动机毁坏。而接触的高温物体就是氢泵,必须做好冷却工作。
即便氢能应用技术难度很大,特别是在航天等高端技术领域,我国科学家还是在不断攻坚克难,取得了让世界瞩目的成绩。
相信,随着航天等高端领域氢能应用技术的突破和成熟,这样的“旧时王谢堂前燕”用不了多久就能以民用的形式“飞入寻常百姓家”。