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航天也要节能减排?揭秘火箭的绿色革命

经验 2024年07月08日 19:15 664 admin

近年来,全球运载火箭发射数量急速增加,从2017年的91次已经攀升至2023年的233次,增加了两倍多。随着一次次点火升空,人类不断尝试书写航天领域的新篇章,运载火箭对于地球环境的影响也越来越受到大众的关注。日前,国务院发布《2024-2025年节能降碳行动方案》,航天也要节能减排?揭秘火箭的绿色革命这让很多人开始重新认识航天热潮与节能降碳的关系。如何守护这颗蓝色星球,让航天与环保同行?

火箭发射对环境到底有什么影响?

火箭尤其是使用常温燃料火箭在发射过程中产生的毒气、废气、废弃物等确实会对环境造成一定影响。点火升空的瞬间,火箭推进剂燃烧产生的熊熊火焰会产生许多不同的排放物。

在这些物质中,氮氧化物、硫化物和一氧化碳直接对人体有害;氯、氧化铝和氮氧化物则会破坏臭氧层,自1996年以来一直受到严格监测和限制。二氧化碳、氮氧化物会吸收更多的热量,被视为一种温室气体。此外,硫化物和氮氧化物还会导致酸雨,对各种生物不利。

在固体火箭发动机产生的尾气中含有氯、氧化铝,是航天活动产生的特有污染物,由于是已知的“臭氧杀手”,最早受到航天界的关注。

火箭发射尾气中的烟尘对臭氧层也有着重大的影响。火箭穿过平流层,其尾气烟尘在此的停留时间长达2到3年,是人类唯一能直接在平流层产生气溶胶污染的方式。

排放问题不是运载火箭对环境的唯一影响。由于大多数火箭是一次性使用的,其生产过程中产生的温室气体排放也会对环境产生影响,坠落于地球表面的废弃零件如固体燃料残骸、火箭碎片等也会在海洋或陆地上产生污染。

火箭发射的环保进阶之路

当然,航天科研人员并不会对此坐视不管。

如果你看过火箭发射的直播画面,可能会注意到,在其升空的一刹那,发射平台会在几十秒内有大量白色水雾喷涌而出。水的使用不仅仅是作用于发动机冷却、保护发射台和降噪,同时也是为了满足环保的需求。火箭发射后,发射台上往往会残留有许多灰尘和化学物质,采用大量的水通过冲洗和清理的方式,可防止其对环境造成进一步的污染,也有助于下一次发射的顺利进行。

科研人员还会利用催化还原、吸附等方法对火箭发射产生的废气进行处理。2002年神舟三号发射时,酒泉卫星发射中心首次将航天发射场推进剂废气处理系统投入使用,将火箭推进剂加注时产生的废气输送到净化装置中,与燃烧剂进行混合燃烧,使有毒废气得到净化。

为了彻底消除常温推进剂火箭在发射过程中产生的毒气,我国正在用新一代使用清洁低温推进剂火箭淘汰常温推进剂火箭。比如长征七号就是在长征二号F火箭的基础上,把箭上的四氧化二氮/偏二甲肼常温推进剂发动机换成液氧/煤油低温推进剂发动机。替换的好处不仅带来推进剂绿色环保,还提高了火箭运载能力、降低了推进剂成本、为今后的可重复使用进行了铺垫。

2021年5月29日,搭载着天舟二号货运飞船的长征七号遥三运载火箭在海南文昌航天发射场点火发射。细心的人们会发现,这一次火箭点火的瞬间,“大力水手”长征七号的尾部没有出现因四氧化二氮不充分燃烧而形成的红色“烟雾”,取而代之的是如同棉花糖般的白“烟”。

图片来源:新华社(琚振华摄)

发射一枚火箭,需要耗费高品质的燃料来提供动力。为了进一步绿色化,生产燃料的方式也要“可再生”。目前,航天技术上,火箭通常采用碳氢燃料作为推进剂的液体,通过蒸汽重整法生产,它的原理是将天然气、石油等碳氢化合物与水蒸气反应,产生氢气和二氧化碳,还会产生一氧化碳这样的副产品。如果通过电解法,利用太阳能和风能产生的电力分解水产生氢气,产出的“绿氢”将更加清洁。欧洲、日本的一些公司甚至还使用从牛粪中提取的液化生物甲烷作为火箭发动机燃料。

朱雀二号领航:商业航天走向绿色可持续

火箭推进剂是决定火箭能力的关键因素,推进剂在火箭发动机中快速燃烧,帮助实现火箭升空、加速和改变轨道,推进剂的性能直接影响火箭的推力和速度。

目前主流使用的大多是液氧/煤油推进剂火箭,成本较低、比冲较高,但易积碳、结焦。液氢/液氧推进剂尽管比冲很高,燃烧产物也很干净,但由于密度过低,造成火箭体积过大,目前难以在基础级单独大规模使用。

液氧/甲烷推进剂,因其燃烧效率高、绿色环保、成本低、易制取等特点,正逐渐被世界各国认为是火箭发动机推进剂的理想材料之一。

液氧是氧气的液态形式,它能为火箭发动机提供充足的氧化剂;甲烷是仅次于氢气的清洁度第二高的化合物,不仅燃烧稳定,而且几乎不产生积碳,这使得发动机的回收复用变得更加容易。

但液氧/甲烷火箭的研制并非易事,它涉及发动机设计、材料选择、燃料存储等多个方面的技术挑战。在世界范围内,液氧甲烷火箭已进入快速研制发展期,中国科研工作者同样在不断创造突破。

2023年7月12日,我国的朱雀二号遥二运载火箭成功入轨,这是全球首枚成功入轨的液氧/甲烷火箭,也是国内民商航天首款基于自主研制的液体发动机实现成功入轨的运载火箭,这一里程碑式的事件标志着我国绿色航天迈出了更加坚实的一步。

朱雀二号遥二运载火箭发射成功。图片来源:新华社(汪江波摄)

上文提到,火箭的制造本身也会产生大量的二氧化碳和污染。如果火箭能够重复使用,就可以在火箭的生命周期内分散这些制造排放,并大大降低其上天的成本。作为朱雀二号的下一步,同样使用液氧/甲烷推进剂的朱雀三号可重复使用火箭也在稳步推进中。2024年1月19日,朱雀三号可复用火箭完成首次大型垂直起降飞行试验,火箭计划于2025年具备首飞能力。

为了进一步支撑我国未来大型航天任务需求,我国还开展了200吨级全流量补燃循环液氧/甲烷发动机研制工作。目前已经完成发动机方案论证,成功完成了火炬点火器热试、燃气发生器缩尺件热试及推力室缩尺件热试考核。

人类向往浩瀚苍穹,渴望揭开宇宙深处的奥秘。而在这个过程中,不仅要追求科技的进步,更要将绿色理念深深植根于航天探索的每一个环节。我们有理由相信,科技的力量能够让宇宙探索之路更加清洁、可持续,在星辰大海间,让我们留下人类智慧与文明的印记,更留下对自然敬畏与保护的永恒承诺。

作者:北京宇航系统工程研究所高级工程师于远航

审核:全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩

标签: 航天也要节能减排?揭秘火箭的绿色革命

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