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2023-01-31
為什么氫氣泄漏仍是NASA火箭發(fā)射的頭疼事？
更新時間：2022-09-07 12:05:40作者：佚名
9月7日消息，美國國家航空航天局（NASA）的巨型火箭太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）用液氫和液氧混合物當燃料。這種燃料體積緊湊、燃燒效率高，但固有屬性也帶來了一系列不好解決的問題。業(yè)內(nèi)人士表示，NASA為了取悅美國國會，不得不在SLS火箭上繼續(xù)使用退役航天飛機上采用的液氫液氧推進系統(tǒng)。
上周六，SLS的第二次發(fā)射嘗試被迫取消，原因是工程師未能解決連接火箭的快速斷開裝置發(fā)生氫氣泄漏問題。這一問題可能要將SLS火箭的最早升空時間推遲到10月份，這也意味著搭載獵戶座飛船往返月球軌道的阿爾忒彌斯1號任務再次被迫推遲。
資料圖
上周一，NASA地面團隊在第一次發(fā)射嘗試時修復了氫氣泄漏問題，但在故障傳感器錯誤顯示發(fā)動機沒有達到所需的超低溫后，發(fā)射最終被取消。事實證明，上周六發(fā)生的泄漏問題控制難度要大得多，工程師們嘗試修復三次都沒有成功。阿爾忒彌斯項目負責人邁克·薩拉芬(Mike Sarafin)在會議結(jié)束后告訴記者：“這不是一個可控制的泄漏事件。”
NASA仍在評估下一步計劃，但火箭必須返回航天器組裝大樓，開展飛行終止系統(tǒng)相關的強制性安全檢查。工程師們認為，周六嘗試發(fā)射期間一個無意中作出的命令導致系統(tǒng)內(nèi)壓力短暫升高，意外過壓影響到管道密閉性，火箭可能需要進行硬件修復，他們目前正在評估這種情況發(fā)生的可能性。
早已有之的氫氣泄露
氫氣泄露對NASA來說已經(jīng)不是什么新鮮事。航天飛機發(fā)射反復無常大多是氫氣泄漏問題造成的。最臭名昭著的事件是“氫氣之夏”，當時地面小組花了6個多月的時間試圖找到氫氣泄漏的根源，這一問題導致航天飛機在1990年全年停飛。SLS火箭在很大程度上是模仿航天飛機的推進系統(tǒng)，包括使用液氫推進劑，所以肯定會存在與氫氣有關的問題。但NASA別無選擇。
芝加哥大學太空歷史學家喬丹·比姆（Jordan Bimm）說，NASA堅持在SLS火箭上使用液氫做推進劑并不是出于技術(shù)方面的原因。
比姆說：“自1958年NASA成立以來，一直在利用遍布美國各地的承包商維系美國國會對太空探索的政策支持和資金支持?！薄暗谝粋€使用液氫的系統(tǒng)是上世紀50年代和60年代開發(fā)的半人馬座火箭。2010年，美國國會在資助NASA的授權(quán)法案中，明確要求NASA在新一代發(fā)射系統(tǒng)中使用現(xiàn)有的航天飛機技術(shù)。”他補充說：“這個決定是為了在關鍵選區(qū)維系NASA承包商的飯碗，讓他們從美國國會對NASA的資助和支持中獲益?！?/p>
但這一決定也意味著雖然航天飛機即將退役，但搭載的RS-25發(fā)動機以及所使用的液氫液氧燃料要挪給SLS火箭用。NASA總共從退役的航天飛機上收集到16臺發(fā)動機，其中4臺安裝到了目前仍杵在佛羅里達州肯尼迪航天中心發(fā)射臺的SLS火箭上。
比姆透露，NASA“必須經(jīng)常優(yōu)先考慮如何獲得美國國會的支持，從而維持太空探索計劃?！彼f，“RS-25發(fā)動機的持續(xù)使用”是一個典型例子，說明“在美國像燃料選擇這種事情都可以政治化，而那些最直接、最理想的解決方案往往不可行?！?/b>
最終，NASA沒有為SLS火箭選擇像甲烷或煤油等推進劑，而是選擇使用液氫液氧混合物為這樣一枚重型火箭提供動力。相比之下，SpaceX即將發(fā)射的星際飛船使用的燃料是液態(tài)甲烷，氧化劑是液氧。比姆解釋說：“由于他們的目標是登陸火星，SpaceX之所以選擇液態(tài)甲烷當燃料，也是希望能在火星上提取這種元素，打造節(jié)約成本的資源利用形式?！倍鳱ASA在設計SLS火箭時遵循的是一套不同原則，因為其總是資金緊張，而且不得不取悅美國國會。
NASA在2011年的一份初步項目報告中寫道：“根據(jù)目前的信息和分析，(擬議的SLS火箭設計)代表開發(fā)新一代重型運載火箭中短期成本最低、可用時間最快、總體風險最小的方向?！薄斑x擇這種架構(gòu)意味著短期內(nèi)不需要開發(fā)新的火箭發(fā)動機，從而縮短首飛時間，并可能將SLS火箭的總體成本最小化。”
結(jié)果諷刺的是，SLS火箭原本計劃在2017年發(fā)射，但到現(xiàn)在還沒有升空。立項至今，包括獵戶座飛船在內(nèi)的研發(fā)總成本已經(jīng)超過500億美元，其中還不包括每一次發(fā)射火箭所需的41億美元。火箭繼承了航天飛機的部件，NASA也繼承了氫氣泄露問題。
有用但令人討厭
氫作為火箭燃料非常有效。這種元素在地球上到處都是，清潔輕便，當與液氧結(jié)合時，燃燒效率極高。根據(jù)NASA的說法，“在與液氧等氧化劑結(jié)合時，液氫產(chǎn)生的比沖值是任何已知火箭推進劑中最高的?！碑敋錃饫鋮s到零下253攝氏度時，體積大幅縮小，輸送進火箭后能夠提供大量燃料。比姆說：“氫燃料的優(yōu)點是能在火箭中有效儲存你想釋放的能量，而且很輕，這一直是航天飛行要考慮的重要因素?！?/p>
NASA在阿波羅時代的土星五號火箭第二級使用了液氫，航天飛機的三個主引擎也是如此。液氫通常用于火箭第二級的燃料，或者用作在軌運行航天器的液體燃料。目前使用液氫的火箭有阿特拉斯公司的半人馬座火箭和波音的德爾塔III和IV型火箭，藍色起源的BE-3和BE-7發(fā)動機也使用液氫作燃料。
比姆說：“氫燃料的缺點是很難運輸和控制，因為氫分子很小，很容易泄漏，維持液體狀態(tài)還需要冷卻到極低溫度。”更重要的是，氫在液態(tài)時極易揮發(fā)，有大規(guī)模燃燒的風險。作為已知的最輕元素，氫也很容易泄漏。NASA解釋過使用液氫作為燃料的諸多挑戰(zhàn)：“為了防止蒸發(fā)或沸騰，以液氫為燃料的火箭必須小心與所有熱源隔開，比如火箭發(fā)動機的尾焰或飛行過程中穿越大氣層時產(chǎn)生的空氣摩擦。一旦航天器進入太空，必須保護其不受太陽輻射的影響。當液氫吸收熱量時，會迅速膨脹，因此還需要進行必要排氣，防止燃料儲罐過壓發(fā)生爆炸。暴露在極冷液氫中的金屬會變得易碎，此外液氫也會通過焊縫中的微小孔隙泄漏出來?！?/p>
盡管存在這些問題，NASA在設計SLS火箭時還是選擇了液氫當燃料，現(xiàn)在就付出了不小代價。
新火箭，老問題
當為SLS火箭加注燃料時，低溫氫的突然流入會導致火箭物理結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化。據(jù)NASA稱，40米高的液氫儲罐在充滿超冷液體后，長度會縮短152毫米，直徑縮小25.4毫米。這樣一來，管道、排氣管以及支架等連接到儲罐的組件必須補償這種突然發(fā)生的收縮。為了解決這一問題，NASA在連接件中使用了類似于手風琴的波紋管、開槽接頭、伸縮節(jié)和球接頭鉸鏈。
但是作為宇宙中最小的分子，氫還是經(jīng)常會通過微小孔隙泄露出來。燃料管道存在泄露的問題尤其嚴重，因為它們不能用硬螺栓直接固定在火箭上。顧名思義，快速斷開裝置從設計角度就是要在發(fā)射期間與火箭快速脫離，同時還要防止氫氣在高壓和超低溫環(huán)境下出現(xiàn)泄露、保證密封效果。周六，快速斷開裝置附近的氫氣泄露濃度遠遠超過4%的上限。由于無法解決泄漏問題，NASA不得不取消發(fā)射。
最令人擔憂的是，當時NASA還沒有為火箭第一級和第二級加注足夠燃料，也沒能進入發(fā)射倒計時。NASA以前處理過氫氣泄漏問題，所以工程師們需要再一次想出解決方案來推進這個項目。
不論如何，阿爾忒彌斯項目還是迎來一個沮喪的開端。（辰辰）