- 化工助力航天追夢(mèng)60載
- 發(fā)布日期：2016-12-14
中國(guó)航天60周年的中秋之夜，天宮二號(hào)成功發(fā)射，中國(guó)航天事業(yè)再進(jìn)一步。這其中，化工功不可沒(méi)。航天，可以讓生活更美好；化工，則讓航天成為可能。
火箭燃料更加安全環(huán)保。YF-77火箭發(fā)動(dòng)機(jī)我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、100%國(guó)產(chǎn)化的大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，是為新一代大運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)芯一級(jí)研制，將于2016年底首飛。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，目前技術(shù)最成熟的燃燒劑是偏二甲肼，氧化劑則用四氧化二氮。歐洲的“阿里安”運(yùn)載火箭，我國(guó)的長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的第一、第二級(jí)燃料多數(shù)采用偏二甲肼和四氧化二氮組成的二元推進(jìn)劑。但偏二甲肼毒性較大，損害人體的肝臟。尤其是四氧化二氮、偏二甲肼的燃燒產(chǎn)物，對(duì)人體損害更大，并嚴(yán)重污染環(huán)境，在灌注操作中非常危險(xiǎn)。另外，偏二甲肼有腐蝕性，一旦錯(cuò)過(guò)了火箭發(fā)射的氣象時(shí)間窗，就必須更換火箭箭體。因此，尋找更安全更環(huán)保的燃料變得相當(dāng)迫切。由于氫、氧燃燒的產(chǎn)物只有水，因此，可以實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保、零碳排放。氫的能量密度很高，是普通汽油的3倍，這意味著燃料的自重可減輕2/3，這對(duì)火箭飛行無(wú)疑是極為有利的。但是，氫是所有元素中最活潑的，要控制好液氫燃燒的難度極高。所以液氫一般不作為第一、二級(jí)火箭的燃料來(lái)使用，避免發(fā)生低空發(fā)射爆炸事故。掌握大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志，我國(guó)成為世界上第三個(gè)掌握控制液氫技術(shù)的國(guó)家。
此外，我國(guó)正在研制的另一種大推力發(fā)動(dòng)機(jī)則采用液氧/煤油作為燃料。其中，煤油為燃燒劑，液氧作為氧化劑。這種燃料無(wú)毒、性能高、燃料密度高、價(jià)格低廉。值得一提的是，我國(guó)新一代運(yùn)載火箭――長(zhǎng)征五號(hào)即采用液氧/煤油推進(jìn)劑。煤油是由石油分餾或裂化所得。采用液氧/煤油作為燃料具有明顯的優(yōu)勢(shì)：一是煤油作為常溫推進(jìn)劑，使用極為方便、安全性好；二是液氧/煤油組合密度比沖高，是理想的助推級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料；三是煤油價(jià)格便宜，每千克煤油的價(jià)格只有偏二甲肼的1/30，可以較大幅度地降低發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成本和運(yùn)載火箭的發(fā)射費(fèi)用；四是我國(guó)煤油資源豐富、貯量極大，可滿足長(zhǎng)遠(yuǎn)的需要；五是使用液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)可完全消除四氧化二氮/偏二甲胼有毒且污染環(huán)境的缺點(diǎn)。
化工材料為宇航員披上“盔甲”。航天服，是宇航員的特殊服裝。太空中的環(huán)境與地球大不相同。太空的寒冷可瞬間凍結(jié)皮膚，太陽(yáng)的炙熱又可引起嚴(yán)重的燒傷，肉眼看不見(jiàn)的宇宙粒子隨時(shí)可能穿透人體，嚴(yán)重缺氧會(huì)即刻失去意識(shí)，沒(méi)有大氣壓，血液又會(huì)如開(kāi)水般沸騰……面對(duì)惡劣的太空環(huán)境，航天服成為了宇航員在太空生存的必備物品。航天服的歷史可以追溯到1933年。當(dāng)時(shí)由于人類還沒(méi)有沖破大氣層，所以當(dāng)時(shí)的航天服被稱作高空飛行員保護(hù)服。它是用橡膠做成的，看上去很像一個(gè)人形的大氣球，在高空可以留住氧氣，并提供必需的氣壓使飛行員免遭低氣壓的侵害。到了1961年，近代的航天服問(wèn)世。美國(guó)人阿侖?謝潑德所用的宇航服內(nèi)層是涂有氯丁橡膠的尼龍，外層是鍍鋁尼龍，手肘、膝蓋等關(guān)節(jié)部位縫入纖維切割線以增加靈活性。即使如此，在加壓的服裝內(nèi)，宇航員仍然感覺(jué)難以彎曲手臂和腿。后來(lái)改用壓力氣囊和內(nèi)部網(wǎng)狀襯里，在封入空氣壓的壓力囊外蒙上了一層用特氟龍混紡材料織成的網(wǎng)，即使空氣壓使航天服整體膨脹也容易彎曲，這就使衣服在加壓狀態(tài)下也能保持相對(duì)靈活，具有極佳的運(yùn)動(dòng)性。
目前，最先進(jìn)的航天服材料，被稱作“聰明材料”。之所以“聰明”，是因?yàn)樵趦蓪泳郯滨ブg夾著厚厚的一層聚合物膠體。如果聚氨酯層出現(xiàn)破損，膠體就在破損部位滲出、凝固，自動(dòng)將漏洞堵上。神七航天員穿著的航天服，根據(jù)不同部位的使用性能，選取的材料也不同。面料采用高級(jí)混合纖維制成，具有高強(qiáng)度、耐高溫、抗撞擊、防輻射等特性。另外，原材料都具有很好的彈性，面料內(nèi)層還有橡膠包裹，能夠抵抗紫外線和強(qiáng)烈的宇宙輻射。在太空活動(dòng)，手套和靴子是關(guān)鍵。手套必須確保能操作精密儀器，大拇指和手指尖部位采用硅橡膠材料，保證一定程度的靈敏“觸覺(jué)”。靴子的表層除了橡膠鞋底外，為金屬纖維織物；靴子的內(nèi)層是特氟龍涂層的玻璃纖維布，緊接著是25層聚酰亞胺薄膜和玻璃纖維布間隔重疊的材料，保證了靴子的輕盈和隔熱。
特種涂層為飛行器保駕護(hù)航。大部分的航天器都是白色的。白色涂料吸收太陽(yáng)熱輻射的能力差，可防止航天器內(nèi)溫度過(guò)高。此外，在火箭發(fā)射時(shí)，會(huì)有東西掉下來(lái)，這是隔熱泡沫，也是火箭保溫的措施之一。大名鼎鼎的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)很有可能就是因?yàn)樵谏针A段一個(gè)公文箱大小的隔熱泡沫脫落，破壞了機(jī)身的保溫涂層，導(dǎo)致哥倫比亞號(hào)的解體。由此可見(jiàn)，各種各樣的涂層為航天器的正常運(yùn)行起到了重要作用。防熱涂層體系主要包括有機(jī)硅樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等。其中，有機(jī)硅樹(shù)脂具有較好的耐燒蝕性能和隔熱性能，彈性好、不易開(kāi)裂、貯存期長(zhǎng)；同時(shí)，有機(jī)硅為非成碳型材料，易與雷達(dá)、紅外等吸波隱身涂層配合。但這種涂層的粘附性能較差，不適用于強(qiáng)熱流或強(qiáng)氣動(dòng)沖刷。環(huán)氧樹(shù)脂雖然耐熱性較差，涂層的隔熱效果不如有機(jī)硅，但環(huán)氧樹(shù)脂具有良好的結(jié)合力，制成的涂層粘附力強(qiáng)，結(jié)合緊密，在防護(hù)強(qiáng)熱氣流沖刷上具有較好的性能。熱控涂層主要應(yīng)用于不同儀器設(shè)備的表面，是保證航天器內(nèi)部結(jié)構(gòu)部件、儀器設(shè)備在空間環(huán)境下處于一個(gè)合適的溫度范圍，能夠正常工作的關(guān)鍵材料。為解決航天器在軌運(yùn)行期間空間帶電粒子相互作用電荷積累問(wèn)題，航天材料及工藝研究所研制了ACR-1白色防靜電熱控涂層，該涂層具備防靜電與透波兼容功能。環(huán)境防護(hù)涂層主要涂敷于航天產(chǎn)品的外表面，解決航天產(chǎn)品地面環(huán)境、海洋環(huán)境和空間環(huán)境條件下的長(zhǎng)時(shí)間貯存問(wèn)題，是航天產(chǎn)品高可靠性、長(zhǎng)壽命的重要保證。聚四氟乙烯具有優(yōu)異的耐腐蝕性、耐老化性，可以應(yīng)用于特殊介質(zhì)的密封，以解決航天產(chǎn)品貯存過(guò)程中的防鹽霧、防濕熱、防霉菌問(wèn)題。由于在深冷條件下仍能保持良好的彈性和韌性，聚四氟乙烯被廣泛應(yīng)用于深冷條件下的密封。
