美国浆氢的研究与应用

表 2 液氢、 浆氢、 胶氢 、 凝胶浆氢的主要特性比较
性质 温度 / K 密度 / g/ cm3 蒸气压 / kPa 汽化潜热 / J/ g 焓 / kJ / kg 蒸发速度 % 粘度 g/ ( cm∀ s) 正常状态 均匀性 贮存稳定性 比冲 / s 氧化剂 : 液氧 膨胀比 : 68 输送性能 腐蚀性及毒性 370( 试验 ) 容易 液氢晃动、侵蚀贮箱 液氢 20. 3 0. 070 8 101. 325 446. 4 - 256. 36 100 10. 93 # 10- 6 液体 单相 汽化 , 需经常放空 391( 理论 ) 浆氢 ( 含 50% 固氢 ) 13. 8 0. 081 54 7. 093 530. 0 - 338. 25 84. 4 一般比液氢大 半流体 使用时需搅拌 先融化固氢 与液氢相同 需要高速输送 较液氢好 介于浆氢、 胶氢 与胶氢相同 浆氢 > 20. 3 > 液氢 凝胶浆氢 ( 含 50% 固氢 ) ~ 13. 8 > 浆氢
2004 年第 4 期 总第 140 期
低
温
工
程
CRYOGENICS
No 4 2004 Sum No 140
美国浆氢的研究与应用
禹天福 吴志坚
北京 100074)
( 北京航天试验技术研究所
摘
要
与液氢相比 , 浆氢具有许多优点 。进行浆氢的特性 、 制备工艺 、 生产装置及浆氢的测量技
术等相关研究工作, 对未来中国开展浆氢的研究具有借鉴意义。 主题词 浆氢 制备工艺 生产装置 性能测试 1970 年 , 美国国家标准局辛达在低温学杂志上发 表 浆氢特性研究概述 一文, 主要内容包括: ( 1) 浆氢 的制备 ; ( 2) 固体粒子特性 ; ( 3) 输送与抽吸特性; ( 4) 浆氢密度计; ( 5) 处理特 性; ( 6) 尚需研 究的特性 等。 1972 年辛达又发表 浆氢的混合和传热特性 一文。 早在阿波罗计划初期 ( 1965 年 ) , 美国宇航局马歇 尔航天中心就曾考虑在土星 V 火箭四级上使用再冷 液氢, 因为飞船在轨飞行期间, 将近蒸发 1 361 kg 液 氢。如果将液氢冷却 10 ! 就可以消除放空, 增加 544 kg 有效载荷, 只是由于当时技术上不成熟而取消了这 个方案。 美国宇航局原计划在 1975 年载人航天中采用地 球 - 轨道运载火箭 ( earth- orbital launch vehicle) 。这 种火箭由 3 个土星 IVc 级组成, 要求推进剂的贮存时 间达 30 d 之久。分析结果表明 : 土星 IVc 在飞行中如 果用含 50% 固氢的浆氢代替液氢 , 氢的放空损失可以 从 8 500 kg 降至 850 kg, 载人飞船的有效载 荷增加 5 829 kg, 即增加 7 12% 。 洛克希德公司曾耗资几百万美元在 圣克卢斯试 验基地建立了低温火箭飞行模拟装置, 用于研究先进 的低温推进剂, 确定浆氢用于宇宙火箭的前景。也在 这里研究浆氢生产、 浆氢贮存和输送特性等。 1974 年 , 美国芝加哥科学应用公司的尼霍夫和弗 里德兰德在 未来星际火箭先进推进剂性能比较 一 文中, 设想浆氢作为核火箭工质。 80 年代, 美国计划 将浆 氢用 作国 家空 天 飞机 ( Nat ional Aeospace Plane, NASP X- 30) 高速推进系统燃料。NASP X- 30 如果
75~ 50 比液氢大 2~ 3 倍 半固态 均匀两相 可能胶体变质
< 84. 4 比浆氢大 半固态 均匀两相 介于浆氢、 胶氢
浆氢中固氢粒子尺寸一般在 0 5 mm~ 10 mm 之 间, 其中 2 mm 左右的粒子最易生成。新鲜浆氢中, 固 氢形成疏松、 多孔凝固。一段时间后 , 由于浆氢的老 化, 固氢粒子形成密度较大的光滑的球团。固氢粒子 的变化主要发生在前 5 h。老化现象是由热流进入浆 氢中引起的。 新鲜粒 子沉降速 度比老 化粒 子的沉 降速度 慢。 老化粒子形状比较有规则 , 且沉降速度比较一致。老 化粒子沉降速度取决于固氢粒子大小, 一般在 20 mm/ s~ 70 mm/ s。为了保证浆氢成为一种均匀的混合物, 需要进行搅拌。 4 4. 1 浆氢的制备方法 抽空法 将液氢杜瓦瓶放在液氮杜瓦瓶中。液氢杜瓦瓶 顶部装有搅拌器和抽空管路。用抽空法制备浆氢时, 可以连 续抽空 , 也可以 间歇抽空。许多 研究人 员认 为, 用间歇抽空的方法循环地形成固体层 , 即 冻结 -
图 1 浆氢用于空天飞机 X- 30 的流程图
90 年代 , 美国考虑将浆氢用于单级入轨( SSTO) 运 载火箭( 例如 X33) 和可重复使用运载火箭 ( RLV) 。这 个时期 , 美国将浆氢之类可以提高密度的新型推进剂 称为致密化推进 剂 ( densified propellant ) 。据估算 , 可 重复使用运载火箭如果使用致密化推进剂代替液氢/ 液氧, 可以 将火 箭起 飞重 量降低 15% ~ 32% ( 一 说 17% ) 。由于火箭起飞重量 大为降低, 原定 采用 7 台 主发动机 , 现在可 以减少 到 6 台。减少 一台主 发动 机, 还可 以相应 减少液 氧/ 液 氢供应 管路 , 相关 部件 ( 阀门 , 循环管路、 仪器等 ) 和剩余液体。 推进剂致密化不仅可以减轻运载火箭起飞重量, 而且可以降低成本。可重复使用运载火箭可以节省 发射成本的 11% 。实际上, 对降低发射成本而言, 推 进剂致密化所做的贡献要比所有其它降低发射重量 的措施 ( 铝 - 锂 合金贮箱、 复合 结构、 先进的主 发动 机) 所作的贡献要大 1 个数量级。 1996 年 10 月 4 日, 在美国宇航局路易斯研究中 心 Plum brook 实验站 ( Srandusky, Ohio) 卫星推 进研究 设备 ( B2) 上用普拉特∀ 惠特尼公司 RL10B- 2 型发动 机进行致密化推进剂 2 次热点火试验。试验工作由 美国宇航局和麦克唐纳 ∀道格拉斯公司和普拉特∀ 惠 特尼公司合作完成。B2 设备可以进行从全尺寸上面 级发动机到 87 kN 推力发动 机的高空模拟试验。 B2 设备从 60 年代末启用。70 年代初试验土星火箭发动
量、 流量测量等。 ( 3) 使用技术 , 包括增压、 排气、 混合等。 ( 4) 地面保障技术, 包括贮存、 转注、 过滤、 设计准 则 ( 临界速度、 声不稳定性 , 热传导和安全) 。浆氢用 于空天飞机 X- 30 的流程图见图 1。从图 1 可 以看 出 , 浆氢是在发射阵地现场生产 , 当即加注。
修改稿于 2004 年 6 月 7 日收到。禹天福 , 男 , 58 岁 , 研究员。
12
低
温
工Leabharlann 程2004 年用浆氢代替液氢作为燃料 , 起飞重量将减少 30% 。浆 氢技术将是空天飞机的一项新技术。采用浆氢必须 解决下列几项关键技术。 ( 1) 生产技术 , 包括生产效率与资金投入比 ; 低于 大气压力时氧的污染和加速老化过程等。 ( 2) 测量技术 , 包 括质量测量、 液位测量、 温度测
3
60 年代初, 美国联合碳化物公司林德分公司、 美 国国家标准局等部门就开始研究浆氢。在 1963 年的 低温工程会议上 , 卡尼作了关于浆氢生产和处理的报 告, 指出由于浆氢在密度和热容量方面优于液氢, 用 作火箭推进剂有相当大的意义。与液氢相比 , 使用浆 氢能节省 18 5% ( 质量比 ) 的氢。
比较见表 2。
浆氢的性质
三相点液氢 13. 8 7 066 0. 077 1 12. 97 68. 7 16. 43 三相点气氢 13. 8 7 066 0. 000 125 8 000 518. 3 124. 0 常压液氢 20. 3 1 013 # 105 0. 070 8 14. 12 122. 2 29. 23 常压气氢 20. 3 1 013 # 105 0. 013 4 74. 62 567. 6 135. 8
机。 真空舱内安装了 1 个 0 95 m3 液氢贮箱、 1 个 0 15 m3 液氧贮箱、 推进剂 供应管路、 1 台 RL10B- 2 发动 机。B2 试 车 台 外 有 1 个 53 m3 液 氢 杜 瓦 和 1 个 45 42m 3 液氧杜瓦 , 用于向舱内推进剂贮 箱补充推进 剂。 第 1 次点火试验采用 普通的液氢 / 液氧 , 第 2 次 采用致密化推进剂。 欧空局新近制定了未来欧洲空间运 输研究计划 ( FESTIP) , 研究几项 与重复使用运载器有关的技 术, 其中包括浆氢。 3 浆氢特性 浆氢与正常沸点液氢 比较, 首先是增加了密 度。 例如含 50% 固氢的浆氢比正常沸点的液氢的密度大 15 2% , 比热容低 13% 。浆氢焓值比正常沸点液氢焓 值低, 因此可贮存时间比液氢长。或者说 , 在相同条 件下可降低对绝热的要求。例如 : 含 50% 固氢的浆氢 转变为相同温度 ( 13 8 K) 三相点液氢需吸热 29 3 kJ/ kg 。因此, 1 kg 含 50% 固氢的浆氢比正常沸点液氢比 热容大 83 6 kJ。 火箭飞行时与大气摩擦产生热量使 贮箱中的液 氢大量汽化 , 由此产生的气氢必须排除。复杂的排气 装置亦带来了控制程序的困难。使用浆 氢可以不放
第 4期
美国浆氢的研究与应用
13
空或减少放空次数, 从而简化排气装置。浆氢的主要 性质见表 1。液氢、 浆氢、 胶氢、 凝胶浆氢的主要特性 表1
性质 温度 / K 压力 / Pa 密度 / g/ cm3 比热容 / cm 3 / g 焓 / kJ/ g 蒸气压 / kPa 三相点固氢 13. 80 7 066 0. 086 7 11. 53 10. 56 2. 528 浆氢 50% 固氢 13. 80 7 066 0. 081 5 12. 27 39. 6 9. 478
1
引
言
液氢作为火箭燃料具有两个突出优点 : 一是比冲 高, 二是清洁能源。作为高能清洁推进剂 , 液氢的缺 点也非常明显, 即密度很低 , 只有 0 07 g/ cm , 而可贮 存液体燃料的密度为 0 8~ 1 3 g/ cm 3。 改进液氢的缺点有 3 条解决途径 : ( 1) 将液氢进一步冷冻 , 产生液 氢和固氢的混合 物, 即浆 氢 ( slush hydrogen, 国 内 有人 称作 氢 浆或 泥 氢) , 以提高密度。 ( 2) 液氢中 加入 胶凝 剂, 成为凝 胶液 氢 ( gelling liquid hydrogen or gelled liquid hydrogen, 国内有人称作 氢胶 ) , 即胶氢。在一定的压力下 , 胶氢象液氢一样呈 流动状态。在胶氢中还可以添加轻金属粉末 , 形成金 属化胶氢推进剂 , 以进一步提高密度和比冲。 ( 3) 结合浆氢技术和胶氢技术 , 形成凝胶泥氢。 为了统一 名词术 语, 建 议按照 氢的 物理状 态命 名。氢作为词根后置, 物理状态作为定语前置 , 因此 就有气氢、 液氢、 固氢、 胶氢、 浆氢等。 2 浆氢优点和应用前景