沪科学家研发成果替代60年老燃料 新型无毒推进剂助飞船准确返回
2020-05-12 10:29:55   来源:   评论:0 点击:

  5月8日13时49分,我国新一代载人飞船试验船返回舱成功着陆。国际上推力最大的单组元无毒发动机姿控系统首次成功亮相。该系统使用中国科学院上海有机化学研究所杨军团队研发的新型无毒单元推进剂,进一步保障
  5月8日13时49分,我国新一代载人飞船试验船返回舱成功着陆。国际上推力最大的单组元无毒发动机姿控系统首次成功亮相。该系统使用中国科学院上海有机化学研究所杨军团队研发的新型无毒单元推进剂,进一步保障了航天员的安全。
 
  在这之前用的都是剧毒肼单元推进剂。肼类燃料尽管剧毒,但因其优良的性能难以被替代,近60年来一直用在国内外飞船的姿态控制上。此次无毒?你没看错!性能堪比肼、又无毒环保的推进剂是如何找到的?记者独家专访上海有机所研究员杨军。
 
  已知化合物有上亿种成熟可用的屈指可数
 
  说到肼类化合物,人们并不陌生,火箭发射时升腾起的红棕色烟雾,就是偏二甲肼(肼的一种)燃烧所致。“如果说返回舱是一辆大型商务车,推进剂就相当于汽油。推进剂的选择,需要符合二三十个指标,其中一些关键指标要求特别高。”杨军说。
 
  如果要发展载人航天飞船技术,必须着重考虑航天员的安全。携带剧毒推进剂的航天器在起飞阶段震动和落地时的冲击可能带来剧毒推进剂泄漏。为找到替代肼的单元推进剂,全世界研究了很多年。“已知化合物有上亿种,但成熟可用的无毒推进剂,两个手就能数过来。”
 
  运载火箭发射所用的肼类双元推进剂已可被液氧煤油绿色双元推进剂替代,并应用于多种运载火箭,如长征五号、长征六号和长征七号。此外,液氢液氧绿色双元推进剂也已在我国成熟应用。此次把无毒单元液体推进剂应用在飞船上,尚属首次。
 
  单元和双元有何不同含义?杨军说,把氧化剂和燃料分开放在两个不同储罐中的是双元推进剂,“双元”能量高,这次用在长五B运载火箭和新飞船的服务舱;新单元推进剂配方中同时包含氧化剂与燃料,只用一个储罐,系统体积更小,应用更可靠,适用于返回舱。对于单元推进剂要求则更高,如果单元推进剂太“活泼”,可能会在点火之前就发生化学反应,不安全;如果单元推进剂太“懒惰”,反应速度太慢或者不反应,则形成不了推动力,就像汽车打不着火。
 
  14年设计600多个配方从黑火药中得到启发
 
  从返回舱与服务舱成功分离,到返回舱安全着陆,只有短短16分钟。杨军团队研发的无毒单元推进剂就是在这16分钟里大显身手,在发动机中燃烧产生推力,推动飞船以准确的角度实现“打水漂”的方式返回地球。
 
  这里有两个概念,第一宇宙速度是物体环绕地球的速度,即7.9公里/秒;第二宇宙速度是物体脱离地球的速度,即11.2公里/秒。传统的弹道式着陆方式常用于第一宇宙速度飞行的飞船和卫星进入大气层,好比石头放入水里,一沉到底。这次新飞船返回舱进入大气层的第二宇宙速度太快,直接“沉入”大气层摩擦产生的热量太高,防护困难,容易烧毁。但通过姿态控制选准角度,就可用“打水漂”的方式减速后,开伞安全着陆。
 
  杨军团队从2006年开展无毒单元推进剂研究,经过14年不懈努力,前后设计了600多个配方,此次使用的新型无毒单元推进剂就是第510个配方的改进型。
 
  研究初期,团队沿着国外的思路,研发了几十种三组分配方,每次拿十几公斤推进剂送到航天抓总单位做发动机试验,结果都不太理想。但项目组深知无毒单元推进剂对国家航天事业发展的重要意义,研究从未中断。团队还自制了点火延迟期测试仪,初步筛选配方只需要1秒钟和1滴单元推进剂,这样就可以高效率地成批验证推进剂配方。
 
  杨军发现硝酸羟胺(HAN)氧化剂化学反应放热太慢,“追不上”水吸热的速度,致使发动机点火失败。这就像一个人连续吃很多冰糕,虽然摄入的奶油不少,但可能在奶油转变成热量之前,就被冻得不行了。受黑火药配方启发,他们创新研发了新型推进剂配方,经过多番努力,又陆续攻克高品质原料合成、材料放大制备、发动机寿命提升、低燃温推进剂等很多难题,得到此次新型高活性无毒单元推进剂。
 
  “有机所的老先生们一直教导我们,科研工作‘板凳要坐十年冷’。有机所里长期坚持攻关科研难题的团队非常多,正是在这种学术氛围和前辈、领导长期的耐心支持下,我们才能取得一点进步,为国家贡献一点力量……”杨军说。

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