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氣體為航天事業“保駕護航”
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氣體為航天事業“保駕護航”

作者(zhe):
來源:
發布(bu)時間:
2022/04/20
【摘要】:
  探索宇宙北京時間2022年4月16日9時56分,神舟十三號載人飛船返回艙在東風著陸場成功著陸,神舟十三號載人飛行任務取得圓滿成功。  作為中國人  我們為祖國航天技術進步倍感自豪!  作為氣體行業一員  我為我的職業而感到驕傲!  航天發射,燃料助燃、衛星姿態調整等許多重要環節都離不開氣體的幫助。我國新一代運載火箭的發動機主要采用液氫、液氧和煤油作為燃料。氙氣擔負著在太空中調整衛星姿勢、轉變軌道的重任。氮氣用於檢查火箭推進劑油箱、發動機係統等的氣密性。氣動閥部件可用氮氣作為動力源。對於某些在液氫溫度下工作的氣動閥門部件,采用氦操作。氮氣與推進劑蒸汽混合,沒有點火和爆炸的危險,對推進劑係統沒有不利影響,是一種經濟和合適的吹掃氣體。對於液氫-氧火箭發動機,在一定的日照條件下,必須用氦氣吹離。  氣體為火箭提供充足動力(飛行階段)  最初的火箭被用作武器或製作煙花。根據作用力和反作用力原理,火箭能產生一個方向的力——推力。為了使火箭產生所需的推力,就要利用燃料和氧化劑之間劇烈化學反應產生的受控爆炸。爆炸產生的膨脹氣體通過噴氣口從火箭後部排出。噴氣口將燃燒產生的高溫高壓氣體引導成一股氣流,以高超音速(數倍於音速)的速度從後方逸出.  液體火箭的分級設計可能會有不同方案,具體取決於燃料和其他要求。液體發動機主要使用液氫液氧等液體推進劑,大家熟知的長征五號火箭使用的就是液氫液氧。液體推進劑,是液態的化學推進劑,是液體火箭發動機的動力源。常見的液體氧化劑主要有液氧、液氟、硝酸、四氧化二氮、過氧化氫、三氟化氯等;常見的液體燃燒劑主要有液氫、乙醇、煤油、肼類等。雙組元推進劑作為主流液體推進劑,在液體火箭發動機中需分開存儲,有需求時再混合燃燒。  氣體為航天員在太空呼吸提供保障  載人航天工程對航天員使用的氣體有著極為嚴格的要求,需要高純度氧氮混合氣體。氣體質量的好壞,直接影響著火箭發射結果和航天員的身體狀況。  航天員劉洋在太空自由活動  3名航天員在空間站生活時,每天所需1650升氧氣,執行180天左右的任務需要大量的氧氣,那這些氧氣從何而來?最常見的方法就是:電解水。電解水之後,水會分解成:氫氣和氧氣。在太空當中,空間站可以利用太陽能板來獲取太陽能,通過太陽能發電來分解水。宇航員在太空中吸入氧氣後,會換出二氧化碳,然後收集這些二氧化碳和氫氣進行反應,生成甲烷和水。最後,把甲烷排出空間站,然後留下水繼續使用。在空間站中,隻需要分解1升的水(也就是我們常見的兩瓶礦泉水的量),就可以製備620升的氧氣,而一個宇航員一天所需要氧氣量是550升,也就是說,電解一升水,不僅夠航天員一天的氧氣量,還有剩餘。  尿液處理、電解製氧和二氧化碳還原係統  水也是航天員急需的,所以問題其實就轉換成了,空間站的水是如何保證的?實際上,空間站的水確實是通過貨運飛船送上去的。這些水會裝成一個個“包”,每個水包都有20升的水,也就是說,一個水包裏的水就夠22天氧氣的供應。不過,這些“水包”並不是用來電解生成氧氣的,因為這樣做實在太浪費了。  宇航員每天在空間站當中,需要用到很多水,把水送到空間站並不容易,成本高昂。因此,這些水需要被非常高效地利用。在空間站當中,有一個水循環係統。其中,這個係統會把宇航員在工作和生活中用掉的水,空氣中的水蒸氣,甚至是航天員的尿液、汗液、都收集起來,進行廢水處理,會進行多次的蒸餾、分離、過濾,最終將這些廢水轉化為可以飲用的水。然後,再利用這些水進行電解,得到氧氣和氫氣,給航天員供應氧氣。這裏要補充一下,供應給航天員的氧氣並非是純氧,要知道純氧對於人體來講是致命的。而高含量的氧氣也會影響人體正常的工作,為了保證宇航員正常呼吸,通常都是高純度氧氮混合氣體。這樣可以有效避免因高濃度氧氣帶來的病理威脅。  氣體為星際“旅行”提供動力  為什麽要使用氙氣做推進劑?氙氣的原子量大,容易被電離,而且它沒有放射性,所以更適合被用作離子推進器的反應劑。原子的質量大這一點也很關鍵,這意味著加速到同等的速度下,質量更大的原子核所擁有的動量就越大,因此在噴射出去的時候,它給推進器提供的反作用力就越大,推進器的推力就越大。  早在2014年,我國首台200毫米離子電推進係統經過飛行驗證之後,持續工作超過了一萬小時。時至今日,我國已經明確提出空間站需要在軌工作15年左右,而為了維持空間站的高度不變,勢必要不斷地推進調控,於是霍爾電推進係統誕生了。我國的“天和”核心艙當中裝有中功率的霍爾電推進係統,它能夠持續提供空間站軌道維持的動力。氙氣是提供粒子的主要原料。  2017年4月12日,我國實踐十三號通信衛星成功發射,衛星在軌推進的推進劑采用的就是氙氣。2020年1月5日,我國研製的發射重量最重、技術含量最高的高軌衛星——實踐二十號衛星成功定點,標誌著東方紅五號衛星公用平台首飛取得成功。氙氣再次作為實踐二十號衛星搭載雙模式推進係統的重要推進劑。  氣瓶在航天係統的應用  1、作為動力源,利用高壓氣瓶中存儲的高壓氣體推動燃料箱中的燃料進入燃燒室中燃燒,從而產生推力,推動火箭飛往太空。  2、飛船的姿態調整在眾多姿態調整方式之中,有一種最簡單的調整方式就是利用牛頓定律中作用力與反作用力的原理來調整,也就是噴射高壓空氣。這個時候我們就要提到高壓空氣的存儲物體,高壓氣瓶。  3、艙內生命保障係統生保係統中包含很多項目,例如:氧氣、水、食物等。那麽我們現階段的載人航天都是利用循環係統,來回收和再生,這就必然會導致我們需要帶氧氣瓶進入太空。  4、艙外太空服的生保宇航員使用的宇航服因為環境不同,整體結構也更加龐大複雜,尤其是考慮到脫離飛船的太空行走等任務,宇航服需要配置齊全的生命維持係統,一般這套係統就在宇航服背後的那個“大背包”裏。生命維持係統是一套複雜的機械設備,它需要考慮到宇航員穿著它之後具備一定時間的獨立運行能力,包括持續供氧、散熱、水分補充等功能。

  探(tan)索(suo)宇(yu)宙(zhou)北京時(shi)間(jian)2022年(nian)4月(yue)16日9時(shi)56分,神舟十(shi)三(san)號載人(ren)飛船(chuan)返回(hui)艙在(zai)東風(feng)著(zhu)陸場成(cheng)功著陸(lu),神(shen)舟十三號載人飛行(xing)任務取得(de)圓滿(man)成功。

  作為中國(guo)人

  我(wo)們(men)為(wei)祖(zu)國航(hang)天技(ji)術(shu)進步倍(bei)感自(zi)豪(hao)!

  作(zuo)為氣(qi)體行業一員

  我為我的(de)職業(ye)而感(gan)到(dao)驕傲(ao)!

  航天發射(she),燃料助燃(ran)、衛星姿(zi)態(tai)調(diao)整等許多(duo)重要環節(jie)都(dou)離(li)不開(kai)氣體的幫助(zhu)。我國新(xin)一代(dai)運載火(huo)箭的發動機主(zhu)要(yao)采(cai)用(yong)液(ye)氫、液氧(yang)和煤(mei)油(you)作為燃料。氙(xian)氣擔負(fu)著在太(tai)空中調整(zheng)衛星(xing)姿勢(shi)、轉變軌道(dao)的重任(ren)。氮氣用於(yu)檢查火箭(jian)推(tui)進劑(ji)油箱(xiang)、發動機係統(tong)等的氣密(mi)性。氣動閥部(bu)件可用氮氣作為動力源(yuan)。對於某些在液氫(qing)溫度下工作的氣動閥門(men)部件,采用氦操(cao)作。氮氣與推進(jin)劑蒸汽(qi)混(hun)合,沒有點(dian)火和爆炸(zha)的危險,對推進劑係統沒有不(bu)利(li)影響(xiang),是(shi)一種(zhong)經濟(ji)和合適(shi)的吹掃氣體(ti)。對(dui)於液氫-氧火箭發動機,在一定的日照(zhao)條件(jian)下(xia),必(bi)須用氦氣吹(chui)離。

  氣體為火箭提(ti)供(gong)充足動力(li)(飛(fei)行階(jie)段)

  最(zui)初(chu)的火箭被(bei)用作武器(qi)或(huo)製作煙花。根(gen)據作用力和反(fan)作用力原(yuan)理,火箭能產生(sheng)一個方(fang)向的力——推力。為了使(shi)火箭產生所(suo)需(xu)的推力,就要利用燃料和(he)氧化劑之(zhi)間劇(ju)烈化(hua)學(xue)反應(ying)產(chan)生的受(shou)控爆炸。爆炸產生的膨(peng)脹氣體通(tong)過噴氣口(kou)從火箭後(hou)部排(pai)出。噴氣口將(jiang)燃燒(shao)產生的高(gao)溫高壓(ya)氣體引導(dao)成一股(gu)氣流,以(yi)高超音速(數倍於音(yin)速(su))的速度(du)從後方逸出(chu).

  液體火箭的分級(ji)設計(ji)可(ke)能會(hui)有(you)不同(tong)方案(an),具體取(qu)決(jue)於燃料和其他要求(qiu)。液體發動機主要使用液氫液氧等(deng)液體推進劑,大家熟知(zhi)的長征五號火箭使用的就是液氫液氧。液體推進劑,是液態的化學推進劑,是液體火箭發(fa)動機的動力源。常見(jian)的液體氧化劑主要有液氧、液氟、硝酸、四氧化二氮、過(guo)氧化氫、三氟(fu)化氯等;常見的液體燃燒劑主要有液氫、乙醇(chun)、煤油、肼類(lei)等。雙(shuang)組元推進劑作為主流液體推進劑,在液體火箭發動機中需分(fen)開存儲,有需求時再混合(he)燃燒。

  氣體為航天(tian)員在太空呼(hu)吸(xi)提供保障

  載人航天工程對航天員使用的氣體有著極為嚴(yan)格(ge)的要求,需要高純度氧氮(dan)混合氣體。氣體質(zhi)量的好壞,直接影響著火箭發射結(jie)果和航天員(yuan)的身體狀況(kuang)。

  航天員劉洋在太空(kong)自由活(huo)動

  3名航天員在空間站生活時,每(mei)天所需1650升(sheng)氧氣,執行180天左(zuo)右(you)的任務需要大量(liang)的氧氣,那(na)這(zhe)些氧氣從(cong)何(he)而來(lai)?最常見的方法(fa)就(jiu)是:電解水。電解(jie)水之後,水(shui)會分解成:氫氣和氧氣。在太空當(dang)中,空間站可以利用太陽能(neng)板(ban)來獲(huo)取太陽(yang)能,通過太陽能發電來分解水。宇航員在太空中吸入氧氣後,會換(huan)出二氧化碳(tan),然後收(shou)集這些二氧化碳和氫氣進行反應,生成甲(jia)烷和水。最後,把(ba)甲烷(wan)排出空間站,然(ran)後留下水繼續使用。在空間站中,隻(zhi)需要分解1升的水(也就是我們常見的兩(liang)瓶(ping)礦泉水的量),就可以製備620升的氧氣,而一個(ge)宇航員一天所需要氧氣量是550升,也(ye)就是說,電解一升水,不僅夠航天員一天的氧氣量,還(hai)有剩(sheng)餘(yu)。

  尿液處理(li)、電解製(zhi)氧和二氧化碳還原係統

  水也是航天員急需的,所以問(wen)題其(qi)實(shi)就轉換成了(le),空間站的水是如(ru)何保證(zheng)的?實際上,空間站的水確(que)實是通過貨(huo)運(yun)飛船送(song)上去的。這些(xie)水會裝成一個個“包(bao)”,每個水包(bao)都有20升的水,也就是說(shuo),一個水包(bao)裏的水就夠22天氧氣的供應。不過,這些“水包(bao)”並(bing)不是用來電解生成氧氣的,因為這樣做(zuo)實在太浪費了。

  宇航員每天在空間站當中,需要用到很多水,把水送到空間站並不容(rong)易(yi),成本高昂。因(yin)此,這些水需要被非常高效地利用。在空間站當中,有一個水循(xun)環(huan)係統。其中,這個係統會把宇航員在工(gong)作和生活中用掉(diao)的水,空氣中的水蒸氣,甚至(zhi)是航天員的尿液、汗液、都收集(ji)起來,進行廢水處理,會進行多次(ci)的蒸餾(liu)、分離、過濾(lv),最終(zhong)將這些廢水轉(zhuan)化為可以飲(yin)用的水。然後,再利用這些水進行電解,得到氧氣和氫氣,給(gei)航天員供應氧氣。這裏要補充(chong)一下,供應給航天員的氧氣並非(fei)是純氧,要知道純氧對於人體來講(jiang)是致(zhi)命的。而(er)高含量的氧氣也會影響人體正(zheng)常(chang)的工作,為了保證宇航員正常呼吸,通常都是高純度氧氮混合氣體。這樣(yang)可以有效(xiao)避免因高濃度氧氣帶來的病理威脅(xie)。

  氣體為星際(ji)“旅(lv)行”提供動力

  為什(shen)麽要使用氙氣做推進劑?氙氣的原子量大,容易被電離,而且它(ta)沒有放(fang)射性,所以更(geng)適合被用作離子推進器的反應劑。原子的質量大這一點也很(hen)關鍵,這意味(wei)著加速到同等的速度下,質量更大的原子核(he)所擁(yong)有的動量就越(yue)大,因此在噴(pen)射出去的時候(hou),它給推進器提供的反作用力就越大,推進器的推力就越大。

  早在2014年,我國首(shou)台200毫米離子電推進係統經(jing)過飛行驗證之後,持續工作超(chao)過了一萬(wan)小時。時至今(jin)日,我國已(yi)經明(ming)確提出空間站需要在軌工作15年左右,而為了維持(chi)空間站的高度不變(bian),勢必要不斷(duan)地推進調控(kong),於是霍爾電推進係統誕生了。我國的“天和”核心艙當中裝(zhuang)有中功率的霍爾電推進係統,它能夠持續提供空間站軌道維持的動力。氙氣是提供粒(li)子的主要原料。

  2017年4月12日,我國實踐(jian)十三號通信衛星成功(gong)發射,衛(wei)星在軌推進的推進劑采用的就是氙氣。2020年1月5日,我國研製的發射重量最重、技術含(han)量最高的高軌衛星——實踐二十號衛星成功定(ding)點,標誌(zhi)著東方紅五(wu)號衛星公用平(ping)台首飛取得成功。氙氣再(zai)次作為實踐二十號衛星搭載雙模(mo)式(shi)推進係統的重(zhong)要推進劑。

  氣瓶在航天係統的應用

  1、作為動力源,利用高壓氣瓶中存(cun)儲(chu)的高壓氣體推動燃料箱中的燃料進入(ru)燃燒室中燃燒,從而產生推力,推動火箭飛往太空。

  2、飛船的姿態調整在眾多姿態調整方式之中,有一種最簡單(dan)的調整方式就是利用牛(niu)頓定律中作用力與反作用力的原理來調整,也就是噴射高壓空氣。這個時候我們就要提到高壓空氣的存儲物體,高壓氣瓶。

  3、艙(cang)內(nei)生命(ming)保(bao)障係統生保係統中包含很多項目,例如:氧氣、水、食物等。那麽(mo)我們現階段(duan)的載人航天都是利用循環係統,來回收和再生,這就必然會導致我們需要帶氧氣瓶進入太空。

  4、艙外太空服的生保宇航員使用的宇航服因為環境(jing)不同,整體結構也更加龐(pang)大複(fu)雜,尤其是考(kao)慮(lv)到脫(tuo)離飛船的太空行走(zou)等任務(wu),宇航服需要配(pei)置齊(qi)全的生命維持係統,一般這套(tao)係統就在宇航服背(bei)後的那個“大背包”裏。生命維持係統是一套複雜(za)的機械(xie)設(she)備,它需要考慮到宇航員穿著它之後具備一定時間的獨(du)立(li)運行能力,包括持續(xu)供氧、散熱(re)、水分補(bu)充等功能。

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