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气体为航天事业“保驾护航”

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2022/04/20
【摘要】:
  探索宇宙北京时间2022年4月16日9时56分,神舟十三号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆,神舟十三号载人飞行任务取得圆满成功。   作为中国人   我们为祖国航天技术进步倍感自豪!   作为气体行业一员   我为我的职业而感到骄傲!   航天发射,燃料助燃、卫星姿态调整等许多重要环节都离不开气体的帮助。我国新一代运载火箭的发动机主要采用液氢、液氧和煤油作为燃料。氙气担负着在太空中调整卫星姿势、转变轨道的重任。氮气用于检查火箭推进剂油箱、发动机系统等的气密性。气动阀部件可用氮气作为动力源。对于某些在液氢温度下工作的气动阀门部件,采用氦操作。氮气与推进剂蒸汽混合,没有点火和爆炸的危险,对推进剂系统没有不利影响,是一种经济和合适的吹扫气体。对于液氢-氧火箭发动机,在一定的日照条件下,必须用氦气吹离。   气体为火箭提供充足动力(飞行阶段)   最初的火箭被用作武器或制作烟花。根据作用力和反作用力原理,火箭能产生一个方向的力——推力。为了使火箭产生所需的推力,就要利用燃料和氧化剂之间剧烈化学反应产生的受控爆炸。爆炸产生的膨胀气体通过喷气口从火箭后部排出。喷气口将燃烧产生的高温高压气体引导成一股气流,以高超音速(数倍于音速)的速度从后方逸出.   液体火箭的分级设计可能会有不同方案,具体取决于燃料和其他要求。液体发动机主要使用液氢液氧等液体推进剂,大家熟知的长征五号火箭使用的就是液氢液氧。液体推进剂,是液态的化学推进剂,是液体火箭发动机的动力源。常见的液体氧化剂主要有液氧、液氟、硝酸、四氧化二氮、过氧化氢、三氟化氯等;常见的液体燃烧剂主要有液氢、乙醇、煤油、肼类等。双组元推进剂作为主流液体推进剂,在液体火箭发动机中需分开存储,有需求时再混合燃烧。   气体为航天员在太空呼吸提供保障   载人航天工程对航天员使用的气体有着极为严格的要求,需要高纯度氧氮混合气体。气体质量的好坏,直接影响着火箭发射结果和航天员的身体状况。   航天员刘洋在太空自由活动   3名航天员在空间站生活时,每天所需1650升氧气,执行180天左右的任务需要大量的氧气,那这些氧气从何而来?最常见的方法就是:电解水。电解水之后,水会分解成:氢气和氧气。在太空当中,空间站可以利用太阳能板来获取太阳能,通过太阳能发电来分解水。宇航员在太空中吸入氧气后,会换出二氧化碳,然后收集这些二氧化碳和氢气进行反应,生成甲烷和水。最后,把甲烷排出空间站,然后留下水继续使用。在空间站中,只需要分解1升的水(也就是我们常见的两瓶矿泉水的量),就可以制备620升的氧气,而一个宇航员一天所需要氧气量是550升,也就是说,电解一升水,不仅够航天员一天的氧气量,还有剩余。   尿液处理、电解制氧和二氧化碳还原系统   水也是航天员急需的,所以问题其实就转换成了,空间站的水是如何保证的?实际上,空间站的水确实是通过货运飞船送上去的。这些水会装成一个个“包”,每个水包都有20升的水,也就是说,一个水包里的水就够22天氧气的供应。不过,这些“水包”并不是用来电解生成氧气的,因为这样做实在太浪费了。   宇航员每天在空间站当中,需要用到很多水,把水送到空间站并不容易,成本高昂。因此,这些水需要被非常高效地利用。在空间站当中,有一个水循环系统。其中,这个系统会把宇航员在工作和生活中用掉的水,空气中的水蒸气,甚至是航天员的尿液、汗液、都收集起来,进行废水处理,会进行多次的蒸馏、分离、过滤,最终将这些废水转化为可以饮用的水。然后,再利用这些水进行电解,得到氧气和氢气,给航天员供应氧气。这里要补充一下,供应给航天员的氧气并非是纯氧,要知道纯氧对于人体来讲是致命的。而高含量的氧气也会影响人体正常的工作,为了保证宇航员正常呼吸,通常都是高纯度氧氮混合气体。这样可以有效避免因高浓度氧气带来的病理威胁。   气体为星际“旅行”提供动力   为什么要使用氙气做推进剂?氙气的原子量大,容易被电离,而且它没有放射性,所以更适合被用作离子推进器的反应剂。原子的质量大这一点也很关键,这意味着加速到同等的速度下,质量更大的原子核所拥有的动量就越大,因此在喷射出去的时候,它给推进器提供的反作用力就越大,推进器的推力就越大。   早在2014年,我国首台200毫米离子电推进系统经过飞行验证之后,持续工作超过了一万小时。时至今日,我国已经明确提出空间站需要在轨工作15年左右,而为了维持空间站的高度不变,势必要不断地推进调控,于是霍尔电推进系统诞生了。我国的“天和”核心舱当中装有中功率的霍尔电推进系统,它能够持续提供空间站轨道维持的动力。氙气是提供粒子的主要原料。   2017年4月12日,我国实践十三号通信卫星成功发射,卫星在轨推进的推进剂采用的就是氙气。2020年1月5日,我国研制的发射重量最重、技术含量最高的高轨卫星——实践二十号卫星成功定点,标志着东方红五号卫星公用平台首飞取得成功。氙气再次作为实践二十号卫星搭载双模式推进系统的重要推进剂。   气瓶在航天系统的应用   1、作为动力源,利用高压气瓶中存储的高压气体推动燃料箱中的燃料进入燃烧室中燃烧,从而产生推力,推动火箭飞往太空。   2、飞船的姿态调整在众多姿态调整方式之中,有一种最简单的调整方式就是利用牛顿定律中作用力与反作用力的原理来调整,也就是喷射高压空气。这个时候我们就要提到高压空气的存储物体,高压气瓶。   3、舱内生命保障系统生保系统中包含很多项目,例如:氧气、水、食物等。那么我们现阶段的载人航天都是利用循环系统,来回收和再生,这就必然会导致我们需要带氧气瓶进入太空。   4、舱外太空服的生保宇航员使用的宇航服因为环境不同,整体结构也更加庞大复杂,尤其是考虑到脱离飞船的太空行走等任务,宇航服需要配置齐全的生命维持系统,一般这套系统就在宇航服背后的那个“大背包”里。生命维持系统是一套复杂的机械设备,它需要考虑到宇航员穿着它之后具备一定时间的独立运行能力,包括持续供氧、散热、水分补充等功能。

  探索宇宙北京时间2022年4月16日9时56分,神舟十三号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆,神舟十三号载人飞行任务取得圆满成功。

  作为中国人

  我们为祖国航天技术进步倍感自豪!

  作为气体行业一员

  我为我的职业而感到骄傲!

  航天发射,燃料助燃、卫星姿态调整等许多重要环节都离不开气体的帮助。我国新一代运载火箭的发动机主要采用液氢、液氧和煤油作为燃料。氙气担负着在太空中调整卫星姿势、转变轨道的重任。氮气用于检查火箭推进剂油箱、发动机系统等的气密性。气动阀部件可用氮气作为动力源。对于某些在液氢温度下工作的气动阀门部件,采用氦操作。氮气与推进剂蒸汽混合,没有点火和爆炸的危险,对推进剂系统没有不利影响,是一种经济和合适的吹扫气体。对于液氢-氧火箭发动机,在一定的日照条件下,必须用氦气吹离。

  气体为火箭提供充足动力(飞行阶段)

  最初的火箭被用作武器或制作烟花。根据作用力和反作用力原理,火箭能产生一个方向的力——推力。为了使火箭产生所需的推力,就要利用燃料和氧化剂之间剧烈化学反应产生的受控爆炸。爆炸产生的膨胀气体通过喷气口从火箭后部排出。喷气口将燃烧产生的高温高压气体引导成一股气流,以高超音速(数倍于音速)的速度从后方逸出.

  液体火箭的分级设计可能会有不同方案,具体取决于燃料和其他要求。液体发动机主要使用液氢液氧等液体推进剂,大家熟知的长征五号火箭使用的就是液氢液氧。液体推进剂,是液态的化学推进剂,是液体火箭发动机的动力源。常见的液体氧化剂主要有液氧、液氟、硝酸、四氧化二氮、过氧化氢、三氟化氯等;常见的液体燃烧剂主要有液氢、乙醇、煤油、肼类等。双组元推进剂作为主流液体推进剂,在液体火箭发动机中需分开存储,有需求时再混合燃烧。

  气体为航天员在太空呼吸提供保障

  载人航天工程对航天员使用的气体有着极为严格的要求,需要高纯度氧氮混合气体。气体质量的好坏,直接影响着火箭发射结果和航天员的身体状况。

  航天员刘洋在太空自由活动

  3名航天员在空间站生活时,每天所需1650升氧气,执行180天左右的任务需要大量的氧气,那这些氧气从何而来?最常见的方法就是:电解水。电解水之后,水会分解成:氢气和氧气。在太空当中,空间站可以利用太阳能板来获取太阳能,通过太阳能发电来分解水。宇航员在太空中吸入氧气后,会换出二氧化碳,然后收集这些二氧化碳和氢气进行反应,生成甲烷和水。最后,把甲烷排出空间站,然后留下水继续使用。在空间站中,只需要分解1升的水(也就是我们常见的两瓶矿泉水的量),就可以制备620升的氧气,而一个宇航员一天所需要氧气量是550升,也就是说,电解一升水,不仅够航天员一天的氧气量,还有剩余。

  尿液处理、电解制氧和二氧化碳还原系统

  水也是航天员急需的,所以问题其实就转换成了,空间站的水是如何保证的?实际上,空间站的水确实是通过货运飞船送上去的。这些水会装成一个个“包”,每个水包都有20升的水,也就是说,一个水包里的水就够22天氧气的供应。不过,这些“水包”并不是用来电解生成氧气的,因为这样做实在太浪费了。

  宇航员每天在空间站当中,需要用到很多水,把水送到空间站并不容易,成本高昂。因此,这些水需要被非常高效地利用。在空间站当中,有一个水循环系统。其中,这个系统会把宇航员在工作和生活中用掉的水,空气中的水蒸气,甚至是航天员的尿液、汗液、都收集起来,进行废水处理,会进行多次的蒸馏、分离、过滤,最终将这些废水转化为可以饮用的水。然后,再利用这些水进行电解,得到氧气和氢气,给航天员供应氧气。这里要补充一下,供应给航天员的氧气并非是纯氧,要知道纯氧对于人体来讲是致命的。而高含量的氧气也会影响人体正常的工作,为了保证宇航员正常呼吸,通常都是高纯度氧氮混合气体。这样可以有效避免因高浓度氧气带来的病理威胁。

  气体为星际“旅行”提供动力

  为什么要使用氙气做推进剂?氙气的原子量大,容易被电离,而且它没有放射性,所以更适合被用作离子推进器的反应剂。原子的质量大这一点也很关键,这意味着加速到同等的速度下,质量更大的原子核所拥有的动量就越大,因此在喷射出去的时候,它给推进器提供的反作用力就越大,推进器的推力就越大。

  早在2014年,我国首台200毫米离子电推进系统经过飞行验证之后,持续工作超过了一万小时。时至今日,我国已经明确提出空间站需要在轨工作15年左右,而为了维持空间站的高度不变,势必要不断地推进调控,于是霍尔电推进系统诞生了。我国的“天和”核心舱当中装有中功率的霍尔电推进系统,它能够持续提供空间站轨道维持的动力。氙气是提供粒子的主要原料。

  2017年4月12日,我国实践十三号通信卫星成功发射,卫星在轨推进的推进剂采用的就是氙气。2020年1月5日,我国研制的发射重量最重、技术含量最高的高轨卫星——实践二十号卫星成功定点,标志着东方红五号卫星公用平台首飞取得成功。氙气再次作为实践二十号卫星搭载双模式推进系统的重要推进剂。

  气瓶在航天系统的应用

  1、作为动力源,利用高压气瓶中存储的高压气体推动燃料箱中的燃料进入燃烧室中燃烧,从而产生推力,推动火箭飞往太空。

  2、飞船的姿态调整在众多姿态调整方式之中,有一种最简单的调整方式就是利用牛顿定律中作用力与反作用力的原理来调整,也就是喷射高压空气。这个时候我们就要提到高压空气的存储物体,高压气瓶。

  3、舱内生命保障系统生保系统中包含很多项目,例如:氧气、水、食物等。那么我们现阶段的载人航天都是利用循环系统,来回收和再生,这就必然会导致我们需要带氧气瓶进入太空。

  4、舱外太空服的生保宇航员使用的宇航服因为环境不同,整体结构也更加庞大复杂,尤其是考虑到脱离飞船的太空行走等任务,宇航服需要配置齐全的生命维持系统,一般这套系统就在宇航服背后的那个“大背包”里。生命维持系统是一套复杂的机械设备,它需要考虑到宇航员穿着它之后具备一定时间的独立运行能力,包括持续供氧、散热、水分补充等功能。