长征五号的硬骨头——液氢(桀骜不驯的火箭燃料)

长征五号的硬骨头——液氢（桀骜不驯的火箭燃料）

中国神话传说中有一个桀骜不驯的代表人物——齐天

大圣孙悟空。这个人物后来被如来佛祖打败，被紧箍咒给驯服，然后变成了实力强大的正面人物。其实在航天燃料领域也有这么一个桀骜不驯的家伙，实力强大但又不服管教，一旦人类驯服了它，它又非常省心。这个角色对氢气来说那是当之无愧的。一、实力强大1.无处不在，储量丰富氢元素，是宇宙中含量最高的元素，太阳系所有星球加到一起，有90%以上的重量都是氢元素，其他星系也是差不多。无论走到那里，氢元素都是非常普遍的。如果未来用这样的物质作燃料，那将是取之不尽用之不竭的。2.密度小，身体轻氢气是密度最小的气体之一，早先的氢气球可以做成飞艇载人飞行。即使做成液态的氢，它的密度也是很小的，同样是液体，火箭燃料煤油的密度是液氢密度的11倍多。用液氢燃料的火箭要比用煤油燃料的火箭轻很多。对于火箭来说，自身体重越小，携带燃料越多，运载能力就越强，用液氢燃料的火箭显然符合这样的条件。甚至未来的核动力火箭，也会使用液氢作为等离子体原料，产生强大的推力。3.能量高，脾气暴氢气在氧气中可以剧烈燃烧产生3000度的高温，能量也很高，液氢液氧燃烧的能量是TNT炸药的5.4倍。对于火箭来说，起飞时推力越大越好，但飞起来以后则是比冲越大越

好。液氢燃料的比冲能够达到457秒，比其他燃料的比冲都高，比一些固体燃料能高出将近一倍，比一般液体燃料也能高出将近50%。因此各个航天大国都不惜代价研究氢氧发动机。当然，如果考虑核聚变中可能用到氢的两种同位素氘和氚，那么氢的能量就更加强悍了，未来的火箭也可能使用聚变反应来产生强大推力。4.最干净，最清洁中国长征二号和长征三号的主发动机燃料是偏二甲肼和液态四氧化二氮，这样的燃料本身是有毒的，而且燃烧产物也是含有有毒气体的（在不能保证完全燃烧的情况下）。很多固体燃料火箭，也是环境不友好的。至于使用液氧煤油发动机的火箭，虽然算作清洁能源火箭，但是燃烧的产物依然有二氧化碳这样的温室气体，甚至可能有一氧化碳和固体小颗粒。只有氢气燃料，本身无毒，燃烧产物就是水，完全是清洁无污染的。不仅是火箭，就连汽车也曾经考虑使用氢气作为燃料。美国研究了氢气燃料汽车几十年，直到奥巴马上台才放慢了脚步。用氢气和氧气制作成的燃料电池，不产生任何有毒气体，而且不产生热量，完全把化学能转化成电能供汽车使用，效率非常高，唯一困难的就是氢气难以储存，汽车携带有难度。氢燃料汽车，新能源无污染汽车二、难驯服1. 捉迷藏虽然氢号称是宇宙中最多的化学元素，但是地球上却找不到氢气的影子，因为地球的引力太小，早先的氢气全部都逸散掉了。要想在地球上找到氢气是非常困难的，我们现有的氢气主要是

从水里面电解出来的。如果考虑到人类需要先发电，然后从水里面把氢气电解出来，最后再把氢气燃烧变回水，这样的一个循环，不仅不能创造能量，而且还有能量损耗，从经济上来说是很不划算的。当然，工业上氢气也可以从甲烷制取，制备成本也是不低的。但是考虑到氢气的强大威力，人们还是宁可舍近求远也要把氢气从五指山下解救出来。2.难压缩上文说到了，氢气密度非常小，都可以做成飞艇把人带到天上。因此火箭如果直接用氢气作燃料的话，那后面得背上多大一个气包啊。这样的大气包得给火箭带来多大的阻力啊！因此要想把氢气用作火箭的燃料，就必须把氢气压缩液化。想液化氢气，可没有液化石油气那么简单，必须要非常低的温度才行。多低呢？零下253度，这个温度看起来不像很低，可是就怕比较，干冰的温度是零下78度，液氮的温度是零下196度。液氢的温度，可以把空气变成“空气冰块”。因此想把氢气变成液体是很困难的，一旦变成液体，储存和保温也是很难的事情。现在的氢氧燃料火箭不仅要制作密封性很好的液氢储罐，还要包装上厚厚的保温材料才行。补充一点，未来液氢也可以进一步压缩变成金属氢，能量密度极高，不仅用于火箭有优势，做成武器更是威力无比。美国科学家已经宣称制备出来了，但距离大量制备和常温常压下实用还有很长的路。很低的温度，空气都能冻住（注：本图不是固态空气而是冰）3.难相处液氢是比较难相处的材料，因为它

的温度太低了，很多材料包括很多金属在这样的低温环境下，都会变脆，在剧烈的震动下就会碎裂掉（而火箭起飞时是必然有剧烈震动的）。因此氢氧发动机的输送管道以及液氢泵的材料都是特制的。各个国家都在这方面吃过亏，包括美国在内的各个国家都在研制大推力氢氧发动机的过程中遇到了液氢泵轴承故障的难题。我们国家的长征五号据信也是一台发动机的液氢泵出现了问题。不仅如此，液氢如此低温，还会把空气给冻成固体，固体空气很有可能堵塞管道，而且被冻住的空气里还有固态的氧。固态氧与氢气接触也是很危险的，再加上固态空气与管道摩擦可能产生静电，那就更危险了。而正常的火箭贮箱里都是有空气的，要想不发生意外，就必须在灌装液氢以前先把空气赶跑，这个过程主要靠氦气赶走空气。因此，所有的氢气燃料火箭发射前需要的准备时间都是很长的。SLS液氢贮箱更要命的是，万一氢气发生泄漏，与空气混合是很容易发生爆炸的，因此，火箭准备和排练的过程中，必须要有足够多的安全防护措施。各个国家都没少吃氢氧爆炸的危害，中国1978年实验氢氧发动机爆炸十几人受伤。日本研制氢氧发动机时也发生过爆炸。

4.暴脾气即使氢气不泄露，不爆炸，低温能克服，对于火箭发动机来说，氢氧火焰的温度也是很难忍受的，毕竟这是3000度的高温。任何材料都难以长时间忍受这样的高温，必须有足够的降温措施才行，多数氢氧发动机就是通过液氢给

发动机壁来降温的。即使这样，发动机内壁材料也难以忍受这样高温的蹂躏。目前国际上主要有两种材料能满足氢氧发动机内壁的需求，一种是西方主流的银锆铜合金，一种是中国使用的锆铜合金，我国使用的材料性能要比银锆铜差一些。有朋友说了，我们也用银锆铜不就行了？其实这是材料科学的一个难题。对于一种材料来说，只知道成分是远远不够的，还要知道制造工艺。就像我们古代的唐刀、棠溪宝剑等著名兵器，锋利无比，材料也并不复杂，但工艺都失传了，现代人需要不断摸索才能参透工艺的秘密。航天材料也是一样的，我们需要对新材料的制作方法和加工方法进行攻关，未来可以用到新型大推力氢氧发动机上。液氢具有无可替代的优势，是现阶段理想的火箭燃料，我们国家必须加大力度摸透它的脾气，研制最高效的紧箍咒——大推力氢氧发动机，才能在未来的航天舞台上稳占第一梯队的阵营。希望青少年朋友们立志投身国家的火箭研发或者材料科学研发，将来必定大有作为。

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