气态 （GH2） 和液态氢 （LH2） 加气站

大家晚上好呀，不知道大家有没有过经历过，遇到一件事怎么也想不明白，后来在某一刻突然想明白了。好了今天我们学点液氢的知识。半个多世纪以来，RP-1 推进剂一直是轨道火箭第一级动力的主要燃料。不过，对于它们的上级，通常使用液态氢。我们仔细研究了这种低温燃料。在火箭推进中，液氢是一种用于为轨道火箭提供动力的低温燃料。它具有所有液体推进剂中最高的比冲，使其成为最省油的液体推进剂。它是一种清洁燃烧的燃料，不会在发动机中积聚残留物，也不会产生碳排放。在 1960 年代和 70 年代的阿波罗计划期间首次将宇航员送上月球的土星五号运载火箭使用 RP-1 推进剂提供推力，使巨型火箭能够穿过地球厚厚的大气层并摆脱其引力。然而，液态氢用于为第二级和第三级提供动力。两种燃料在各自的燃烧室内与液氧混合和燃烧。这种燃料配置今天仍在大量轨道运载火箭中使用。目前在上级使用液氢的飞行器包括 Delta IV Heavy、Atlas V、Ariane 5 和 Long March 5（中国）火箭。（Delta IV Heavy 和 Ariane 5 运载火箭也使用液氢作为其第一级助推器的主要推进剂。图1 土星五号火箭的第二级（如图）和第三级都使用了液氢。正如以下部分将说明的那样，液氢今天仍在大多数轨道火箭的上级使用有几个原因。什么是液态氢？在正常状态下，氢 （H） 是一种天然存在的气体，也是最丰富的化学元素，估计占宇宙的 75%。它以分子形式存在于所有生物中，包括植物、人类和其他动物。然而，作为一种气体，它非常稀缺，尤其是与甲烷（天然气）相比，甲烷（天然气）在煤炭或石油储量旁边以及地球表面深处的土壤和岩石沉积物中含量丰富。（液态甲烷目前正在开发中，作为传统火箭燃料的替代品。在本文中了解有关它是什么以及它的优缺点的更多信息。液态氢气是一种低温物质，这意味着气体必须冷却到低于 -253°C（-423°F）的温度才能转化为液态氢 （LH2).与轨道火箭中使用的所有其他燃料一样，液态氢需要氧化剂才能燃烧。它以液氧 （LOX） 的形式出现。燃料和氧化剂在燃烧室中混合，在那里燃烧形成推动航天器的热气体。图2 氢气需要冷却到低于 -253°C（-423°F）的温度才能变成液体。由于其稀缺性，氢气必须通过各种不同的工艺专门生产，如下一节将说明的那样。液态氢是如何制造的与原油和甲烷等其他燃料来源不同，氢气需要从天然气、核能和可再生能源等其他来源生产，这些燃料来源可以在地球表面以下以原始形式提取，然后再在加工厂进行提炼。它可以通过多种方式生产，但生产氢气的两种主要方法是蒸汽-甲烷重整和电解。蒸汽-甲烷重整（美国使用最广泛的制氢方法）使用极高温度下的蒸汽，蒸汽在催化剂存在下与甲烷反应生成氢气。电解使用电流，电流通过水 （H2O） 将氢分子与氧分离。这是比蒸汽甲烷重整更清洁的过程，因为它不会产生任何副产品，例如一氧化碳。为了生产液态氢，气体被冷却到 -253°C（-423°F）或更低的低温，然后才能用作轨道运载火箭的燃料。在轨道火箭中使用液氢的优势与其他液体推进剂相比，液态氢具有一些优点，但也有一些缺点。使用液氢的一些主要优点包括：所有液体燃料中最高的比冲几乎没有结焦和其他形式的残留物堆积环保无毒1） 所有液体燃料中最高的比冲由于火箭质量的 85% 以上由燃料组成，为运载火箭提供足够的推进剂，使运载火箭能够穿过地球大气层并摆脱引力到达轨道，因此燃料效率至关重要。因此，火箭推进的圣杯之一是火箭燃烧燃料的效率。比冲是用于描述这种效率的术语，通常以秒为单位。它本质上相当于汽车的“每加仑英里数”。( 关于比冲的详细讨论不在本文的讨论范围之内，但您可以在以下关于核推进的文章中了解更多信息。氢在所有已知元素中具有最小的分子量，并且是所有液体推进剂中密度最低的。它也是最有能量的，在高达 3038°C（5500°F）的温度下燃烧。图3 半个多世纪以来，Aerojet Rocketdyne 的 RL-10 发动机已经用于多个轨道火箭的上级，这要归功于它通过燃烧液氢实现的高比冲。它的轻分子量和高能性质使燃烧的氢气能够以更高的速度通过火箭发动机的喷嘴，使其成为具有最高比冲的最省油的火箭推进剂。为了说明这一点，我们可以看看使用每种燃料类型的火箭发动机的现代示例产生的比冲：液氢：366 – 452 秒（航天飞机/SLS RS-25 发动机）液态甲烷：330 – 350 秒（SpaceX Raptor 发动机）RP-1 推进剂：282 – 311 秒（SpaceX Merlin 发动机）（在本文中详细了解轨道火箭使用的不同类型的燃料及其各种优缺点。2） 几乎没有焦化和其他形式的残留物堆积与 RP-1 甚至燃烧更清洁的液态甲烷不同，氢气在燃烧时几乎完全燃烧，不会在火箭发动机中产生焦化、烟灰或其他类型的残留物堆积，这些残留物会堵塞、降低性能，甚至损坏发动机。这不仅有助于轨道运载火箭的发动机以最佳方式和更可靠地运行，而且随着可重用性成为航天中越来越重要的一部分，它使可重复使用火箭的翻新变得更加容易，周转时间更快。3） 环保由于其高分子量，RP-1 推进剂在所有主要液体火箭燃料中提供最大的推力，这就是为什么它被用于大多数运载火箭的第一级，如阿特拉斯 V、猎鹰 9、土星 V 和联盟火箭。但 RP-1 是一种具有长碳链和周围氢分子的碳氢化合物。这些长链分子意味着 RP-1 永远不会完全燃烧。除了在发动机中产生的残留物外，其废气羽流还含有不需要的副产品。它们含有二氧化碳、烟灰、氮氧化物、硫化合物和一氧化碳。所有这些都会导致空气污染。液态甲烷被认为是一种清洁燃烧燃料，其废气羽流也会产生一些二氧化碳和一氧化氮。另一方面，氢气的废气羽流仅包含水作为副产品，使其成为目前轨道火箭中使用的最清洁、最环保的火箭推进剂。（在本文中了解有关 RP-1 推进剂、它是什么及其不同优缺点的更多信息。4） 无毒液态氢是一种低温燃料，需要冷却到 -253°C（-423°F）或更低的温度才能保持液态。这使得处理起来极其危险，直接接触它可能是致命的。然而，在发生爆炸或意外泄漏的情况下，它只会产生水作为副产品，使其无毒且清理安全，对周围地区的人类船员和其他生物几乎没有危险。这与RP-1推进剂形成对比，后者会产生二氧化碳、氮氧化物、硫化合物和一氧化碳。其中一些化合物对附近的人类极为危险，这也使清理程序更加复杂。图4 氢燃料 Delta IV 重型火箭的排气羽流仅产生水蒸气作为副产品。液态甲烷作为火箭燃料越来越受欢迎，其意外溢出或不受控制的燃烧会导致空气中甲烷气体浓度升高，如果气体置换过多的氧气，可能会导致甲烷中毒和附着。在轨道火箭中使用液氢的缺点尽管液氢作为火箭燃料具有多项优点，但它也有一些缺点。使用氢气最值得注意的缺点包括：需要大型油箱氢脆提供比 RP-1 更小的推力极端低温体积小，难以容纳1） 需要大型油箱使用氢气作为火箭推进剂的主要优点之一也是它的缺点之一。它们的小分子尺寸使氢分子能够高速通过火箭的喷嘴加速，从而帮助其实现高比冲。然而，其极低的密度也意味着液氢比具有类似质量的其他液体推进剂需要更多的空间，需要更大的燃料箱来容纳大量的推进剂。这为轨道火箭增加了额外的质量和尺寸。（Delta IV 和 Delta IV 重型运载火箭的大型中央核心内部的大部分空间，以及航天飞机计划期间使用的巨大外部油箱，都用于储存飞行器到达轨道所需的液氢。图5 RP-1 推进的猎鹰 9 火箭的第一级助推器提供的推力提供的推力比氢燃料火箭发动机提供更大的升力，2） 氢脆尽管氢气是一种清洁燃烧的燃料，不会在火箭发动机中留下残留物，并且除了排气羽流中的水蒸气外不会产生任何副产品，但它仍然会对火箭发动机产生负面影响。由于其分子尺寸小，氢分子可以穿透火箭发动机的金属，使它们变得坚硬并降低它们可以承受的应力。随着时间的推移，这会导致出现裂纹，从而导致金属变脆。3） 提供的推力比 RP-1 小正如本文前面几节所述，液氢是目前可用的最省油的火箭推进剂，这主要归功于它的小分子量和由此产生的高排气速度。然而，其小尺寸和质量也意味着氢无法达到与RP-1推进剂相同的推力，RP-1推进剂具有更大更重的分子，使后者能够在需要时为运载火箭提供更多的“原始动力”。这也是为什么大多数轨道火箭的第一级仍然使用 RP-1 推进剂的原因。轨道发射最困难的部分是将航天器从发射台上移出，并提供足够的力使其穿过地球厚厚的大气层，同时还要对抗其引力。在这个关键时期，燃料效率不如纯推力重要，液氢在这方面根本无法与 RP-1 推进剂相媲美。4） 极端低温为了使氢气保持液态，它需要在 -253°C（-423°F）及以下的温度下冷却和储存。这些极端的低温要求在运输和储存过程中采取额外的措施。除了在处理冰冷燃料时确保地勤人员安全的安全措施外，还需要在油箱外部进行额外的绝缘，以保护低温燃料免受外部热源的影响。即使有额外的绝缘层，液态氢在发射台运载火箭内部的燃料箱中仍然会加热并开始沸腾。因此，需要排出蒸发的氢气，以防止压力过大和可能的储罐破裂。所有这些额外措施意味着处理和储存液态氢成为一个非常复杂、危险且昂贵的过程。额外的绝缘材料还增加了运载火箭的质量。（在这篇深入的文章中，详细了解发射提供商部署的不同方法，以便在发射场之前和加注后在轨道火箭中保持氢气等低温推进剂。5） 体积小，难以容纳氢分子的小尺寸有助于它们实现高比冲，使其非常节能。然而，它们也带来了几个问题，其中氢脆已经被强调出来。不过，它还有另一个缺点。氢分子非常小，以至于它们极难容纳。它们非常小，以至于它们可以从字面上穿透固体金属并从焊接材料中最微小的开口中的裂缝中渗出。这不仅会给长期储存带来问题，而且火箭发动机氢气供应中的最小泄漏都可能导致其逸出并与另一部分的液氧 （LOX） 发生反应，从而导致意外燃烧，从而损坏整个发动机。结论毫无疑问，液氢是提供最高比冲的火箭燃料，因此是目前可用的最省油的火箭推进剂。这主要是由于其小分子尺寸和高能量性质。正如本文所说明的，使用这种低温燃料有几个缺点，这使得它的生产成本高昂，难以处理和储存，并且需要比任何其他火箭推进剂大得多的燃料箱。尽管有所有这些缺点，但它的高比冲，再加上其他几个优点，包括其清洁燃烧特性和环保的排气羽流，仍然使其成为备受追捧的燃料。来源：气瓶设计的小工程师