液態氫，一匹桀驁不馴的野馬
小火箭出品
本文作者：邢強博士
如今，越來越多的人注意到了傳統的偏二甲肼/四氧化二氮燃料的毒性和環境不友好性。隨著新一代液氧煤油大推力火箭發動機的發展，有很多人開始想起了液氫液氧發動機。同樣是低溫燃料發動機，為什麼以液氫為燃料的發動機沒能迅速普及開來呢？實際上，想要馴服液氫這匹動力強勁又個性十足的野馬需要非凡的耐心和先進的技術。
目前，大推力的液體火箭發動機主要使用偏二甲肼/四氧化二氮、液氧煤油和液氫液氧三種燃料體系。其中，偏二甲肼/四氧化二氮組合的比沖（火箭發動機單位重量推進劑產生的衝量，其數值越大表示燃料的效能越高。）為348秒，液氧煤油組合的比沖為347秒。而液氫液氧組合的比沖達到了457秒，足足比傳統的有毒推進劑的比沖高出了31%！這是目前依靠燃燒產生的高速噴流來推進的化學火箭發動機中少有的比沖超過400秒的。既然性能這麼好，那乾脆所有的大推力火箭發動機都用液氫液氧組合好了。別著急，液氫可不是這麼容易就會乖乖地為人類服務的。
冷峻 深處暗藏的危險
在人們關注液氫當中蘊含的巨大能量的時候，往往會忽視液氫極低的溫度。作為宇宙中存在數量最大的原子和元素周期表中排名第一的元素，氫的性質當然不會稀鬆平常。液態氫的沸點為-253℃。這個溫度足以使液氫成為一種極為冷峻的物質了。在自然界中，只有沸點為?268.9℃的液氦可以和液氫共存。其他的氣體遇到冰冷的液氫只能被凍成冰坨。這原本是一種正常的自然現象，氣體溫度在沸點之下，就會成為液體，在凝固點之下，就會進一步變成固體。但是，在火箭發動機複雜的管路系統中，這個現象會蘊含著非常大的危險。通常來說，空氣中有78%的氮氣和21%的氧氣，氮氣的凝固點為-210℃，氧氣的凝固點為-218.79℃。在向火箭燃料儲箱中加註液氫的時候，如果不提前進行處理的話，空氣就會被包裹在沸騰的液氫中，凍成一塊塊的冰顆粒。
實際上，情況還沒有這麼簡單。氮氣的凝固點雖然比氧氣高一些，看起來會先被凍住，但其實氮氣分子的尺寸較小，其逃脫的本領要比氧氣強。根據大量的測試試驗，人們得出了這樣的結論：被液氫凍住的空氣冰塊中，含氧量高達52%。我們在做中學化學試驗的時候，已經見識過了試管中的氫氣與空氣混合到一定比例的時候，會發生爆鳴的現象。而在52%的氧氣濃度下，液氫的「爆脾氣」很容易被激發出來，一粒沙子從一米的高度墜落的能量，就足以引爆液氫與高氧濃度冰塊的混合物。在液氫輸送管道中，稜角分明的藍盈盈的冰坨之間碰撞的能量會很容易引爆整個液氫輸送系統。早期研究液氫液氧發動機的美國人在這方面吃了不少苦頭。
即使液氫中凍結的這些空氣冰塊沒能引起爆炸事故，也會給火箭發動機帶來其他隱患。火箭的燃料輸送系統與人體的血管有一些相似之處，既有粗壯的主動脈，也有逐漸變細的血管直至毛細血管，中間還會穿過心臟和其他重要臟器。那些冰塊在主管路中尚能隨著液氫流動，但是當流到較細的管道或者閥門處的時候，就會發生堵塞。即使這些冰塊順利地通過了這些關卡，也會最終在噴嘴那裡擋住液氫的去處。這就是液氫液氧發動機在燃燒過程中出現不穩定現象的一個原因。
氫氣是宇宙中的已知氣體里密度最小的，氫氣的體積是同等重量空氣的14倍，要想讓火箭帶上充足的氫氣上天，將氫氣液化幾乎是個必然選擇。總不能讓火箭帶著碩大無比的氫氣囊發射吧。（室溫下的氫氣是同等重量的液氫的840倍，想像一下體積變大800多倍之後的火箭！）但是，液氫極低的溫度又會導致空氣在裡面凍成冰塊。怎樣解決這個矛盾呢？
技術人員想到的辦法是：把空氣吹走。上世紀50年代，在普惠公司和馬紹爾飛行測試中心的共同努力下，美國人研製出了他們的第一台液氫液氧發動機——RL-10。為了避免燃料管路中出現惱人的冰塊（搞不好是會要人命的），他們琢磨出了一整套把空氣從火箭儲箱中趕出去的方法：在地面上，用氮氣把儲罐吹一遍，使儲罐中充滿氮氣，這樣即使出現冰塊，也不至於發生爆炸。然後，用高純度的氦氣把氮氣吹走。因為氦氣的凝固點是?272.2℃，比液氫的沸點低了將近20℃，因此氦氣是不會在液氫中凍住的。另外，氦氣是惰性氣體，懶得和氫氣發生什麼瓜葛，殘存的氦氣會隨著發動機的燃氣排出。為了保證在火箭上升的過程中不會出現液氫吸收空氣中的氧氣的情況，技術人員給使用RL-10發動機的火箭搭配了裝有高壓氦氣的罐子。在火箭中的液氫燃料進入燃燒室之前，一直會有一股強大的氦氣流吹過液氫箱、推進劑輸送管道、燃料泵、發動機冷卻排氣管和燃燒室，保證液氫一路上不會與空氣發生接觸。
RL-10火箭發動機的改進版在多種運載器上得到了應用，土星一號火箭的第二級使用6台，半人馬座火箭的上面級使用2台，德爾塔-4運載火箭上面級使用2台。這些火箭的發射成功率都不低，可見這種液氫液氧發動機的可靠性經過了實踐的考驗。在NASA最新提出的重返月球的計劃中，RL-10發動機有可能繼續被啟用，用來為登月艙提供穩定可靠的動力。
歐洲的阿麗亞娜系列火箭也使用了液氫液氧發動機作為低溫上面級。他們的工程師認為沒有必要像美國人那樣使用高壓氦氣來折騰薄薄的儲箱，於是就想出了另外一個法子。他們先用加溫到40℃的氮氣把從儲箱到燃燒室的整個管路系統吹一個小時。然後，把氦氣灌滿整個儲箱，直到罐內的氣體壓強與外界大氣壓強相同。接著，他們把儲箱抽空並濾走裡面的水蒸氣。然後，再次把儲箱充滿氦氣。這樣的操作要連續進行22次之多，以確保阿麗亞娜火箭上面級的液氫管路系統內的清潔。整個吹除過程的持續時間長達5個小時。可見，要馴服液氫燃料，從來就不是一件輕鬆的事情。
活潑 難被禁錮的天性
解決了低溫會使氧氣結冰的問題僅僅是走出了第一步。火箭發動機確實能穩定工作了，但是馴服液氫的難題在此時並沒有被完全解決。氫氣是目前已知氣體中個頭兒最小的，這就使氫氣本身有著活潑好動的天性。而液化後的氫氣的沸點又非常低，在常溫中會時刻處於沸騰的狀態，這使得液氫的儲存和運輸的困難變得大了起來。
冬天，為了避免開水變涼，我們可以把水倒入保溫瓶中存放。保溫瓶的內膽設計有助於盡量隔絕熱量交換。實際上，在夏天為了防止冰棍過快融化，也可以把冰棍放到空的保溫瓶中。在儲存液氫的時候，人們用的也是隔絕熱交換的思路，用厚厚的保溫材料將液氫包裹起來。通常來說，使用常溫燃料的儲箱外殼的重量占裝滿後的儲箱總重量的6%左右，而因為液氫儲箱外面需要鋪設格外厚的保溫材料，雖然這些材料都非常輕，但仍使得儲箱外殼的重量比例佔到了12%左右。
要把液氫留住，僅僅用厚厚的儲箱還是不夠的。我們需要了解氫的脾氣性格才能更好地和它相處。在常溫下，氫氣的密度是空氣的1/14，這是氫氣球能夠飛上天的原因。但是，隨著溫度的變化，氫氣和空氣的密度關係會發生反轉。在氫氣剛剛從沸騰的液氫中溢出的時候，它的密度是1.33kg/m3，比周圍的空氣要重一些（0℃的空氣的密度是1.29kg/m3）。於是，剛剛逃出來的氫氣會有一個向外向下流動的趨勢。氣體的擴散速度與氣體分子量的平方根成反比，對於分子量最小的氣體氫氣而言，其擴散速度是所有已知氣體中最快的。這樣快的擴散速度就意味著無論是操作液氫還是氫氣，都不能在封閉空間內進行。對於普通成年人來說，當空氣中的氧氣的含量低於12%的時候，就會出現呼吸困難，意識逐漸消失的情況。在一間密閉的，層高3米，面積為36平方米的實驗室中，如果打翻了一桶重4.6千克的液氫的話，5秒鐘內，就會讓氫氣的濃度達到75%，實驗人員將很難有機會逃出。在這樣高的濃度中，衣服上的靜電、實驗設備電路中的小火花都會讓爆燃的事故在瞬間出現。因此，在操作液氫的時候，一定要注意通風透氣。
另外，液氫的粘度很小。這使得一旦儲罐出現裂縫或者孔洞的話，液氫將會以很快的速度泄露。還有，泄露的液氫不會老老實實地呆在地面上等人來清理。它們會很快變成無色無味的氫氣，分散在空中，去追尋它們的自由。而散布在空中的氫氣則總是會想著鬧出一些大動靜的。
我可以用另一個算例來說明液氫的活潑。我國氣象學規定12小時降水量為30毫米的降雨稱為暴雨。暴雨過後，地面上會出現大量積水。而如果天上降的是液氫雨的話，地面上將不會留下一點液氫的痕迹。在常見的泥土地上，液氫的汽化速度是43毫米/分鐘，也就是說，我們把液氫暴雨的「降水量」增大1031倍後，地面上仍然不會留下液氫「水窪」。
如此活潑好動的液氫需要我們用靈敏的監測設備來時刻注意其動向，並且要順著它的意願，來設計儲存和運輸的方案。比如，在開放空間的液氫閥門下面鋪設碎石塊，以進一步加快液氧的汽化速度，使其迅速擴散成不具備爆炸條件的低濃度氫氣。
強勁 傲視群雄的力量
?實際上，液氫對人類還是很友善的，這是一種擁有強大力量的王者所固有的友善。不小心濺到手上的一點液氫並不會給人造成太大傷害。因為人手上的水分會使液氫迅速汽化，形成一個保護層。而溫度遠沒有液氫低的低溫狀態下的金屬物體往往會給接觸它的人的皮膚帶來較大創傷。液氫的這種屬性對於像康斯坦丁·法赫伯格這樣的研究人員來說是極為重要的。（康斯坦丁·法赫伯格是研究煤焦油衍生物的學者，有一天他吃飯的時候舔到了自己的手指，嘗到了很甜的味道。於是，他跑回實驗室幾乎舔遍了他能碰到的所有物體，終於發現了糖精。）純凈的液氫燃燒起來的火焰幾乎不會晃瞎眼睛，因為它的火焰輻射頻段主要在紅外和紫外區。而且，液氫的火焰是允許人類靠近的。它向外輻射的熱量比起天然氣和煤油來說要小得多。在因事故引發的大火中，只要離液氫火源保持在60米左右的距離就不會立刻被灼傷。而如果是煤油燒起大火的話，遠在200米之外的人員的裸露皮膚仍會有被嚴重灼傷的風險。
液氫液氧的組合構成了化學火箭中的最強動力。這股力量蘊含在冰冷和恬靜之中。液氫液氧混合物能夠迸發出的能量是TNT炸藥的5.4倍。（這個數據在土星火箭和半人馬座火箭的幾次試車爆炸事故中得到了充分地驗證。）氫在氧中燃燒的速度幾乎是汽油蒸汽在氧中燃燒速度的9倍。在一個池子中倒入1米深的煤油的話，點燃的煤油用7分鐘的會燃盡，而如果倒進去的是同等體積的液氫的話，只需34秒就能把氫氣中蘊含的能量釋放出來，變成滾燙的水蒸氣雲團。
了解了液氫冰冷的外表下蘊含的活潑天性和炙熱內心之後，我們就能夠和它友好相處。當我們開始尊重它的個性，不再去禁錮它的天性的時候，它便會用強大的力量和傲人的性能給人類以意想不到的回報了。液氫是宇宙給人類的一種饋贈，用於幫助人類走出地球搖籃，踏上茫茫宇宙的遠大征程。
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