为什么氢气泄漏仍是 NASA 火箭发射的头疼事?

2022/9/7 10:56:18 来源:网易科技 作者:辰辰 责编:汪淼

9 月 7 日消息,美国国家航空航天局(NASA)的巨型火箭太空发射系统(SLS)用液氢和液氧混合物当燃料。这种燃料体积紧凑、燃烧效率高,但固有属性也带来了一系列不好解决的问题。业内人士表示,NASA 为了取悦美国国会,不得不在 SLS 火箭上继续使用退役航天飞机上采用的液氢液氧推进系统。

上周六,SLS 的第二次发射尝试被迫取消,原因是工程师未能解决连接火箭的快速断开装置发生氢气泄漏问题。这一问题可能要将 SLS 火箭的最早升空时间推迟到 10 月份,这也意味着搭载猎户座飞船往返月球轨道的阿尔忒弥斯 1 号任务再次被迫推迟。

资料图

上周一,NASA 地面团队在第一次发射尝试时修复了氢气泄漏问题,但在故障传感器错误显示发动机没有达到所需的超低温后,发射最终被取消。事实证明,上周六发生的泄漏问题控制难度要大得多,工程师们尝试修复三次都没有成功。阿尔忒弥斯项目负责人迈克・萨拉芬 (Mike Sarafin) 在会议结束后告诉记者:“这不是一个可控制的泄漏事件。”

NASA 仍在评估下一步计划,但火箭必须返回航天器组装大楼,开展飞行终止系统相关的强制性安全检查。工程师们认为,周六尝试发射期间一个无意中作出的命令导致系统内压力短暂升高,意外过压影响到管道密闭性,火箭可能需要进行硬件修复,他们目前正在评估这种情况发生的可能性。

早已有之的氢气泄露

氢气泄露对 NASA 来说已经不是什么新鲜事。航天飞机发射反复无常大多是氢气泄漏问题造成的。最臭名昭著的事件是“氢气之夏”,当时地面小组花了 6 个多月的时间试图找到氢气泄漏的根源,这一问题导致航天飞机在 1990 年全年停飞。SLS 火箭在很大程度上是模仿航天飞机的推进系统,包括使用液氢推进剂,所以肯定会存在与氢气有关的问题。但 NASA 别无选择。

芝加哥大学太空历史学家乔丹・比姆(Jordan Bimm)说,NASA 坚持在 SLS 火箭上使用液氢做推进剂并不是出于技术方面的原因。

比姆说:“自 1958 年 NASA 成立以来,一直在利用遍布美国各地的承包商维系美国国会对太空探索的政策支持和资金支持。”“第一个使用液氢的系统是上世纪 50 年代和 60 年代开发的半人马座火箭。2010 年,美国国会在资助 NASA 的授权法案中,明确要求 NASA 在新一代发射系统中使用现有的航天飞机技术。”他补充说:“这个决定是为了在关键选区维系 NASA 承包商的饭碗,让他们从美国国会对 NASA 的资助和支持中获益。”

但这一决定也意味着虽然航天飞机即将退役,但搭载的 RS-25 发动机以及所使用的液氢液氧燃料要挪给 SLS 火箭用。NASA 总共从退役的航天飞机上收集到 16 台发动机,其中 4 台安装到了目前仍杵在佛罗里达州肯尼迪航天中心发射台的 SLS 火箭上。

比姆透露,NASA“必须经常优先考虑如何获得美国国会的支持,从而维持太空探索计划。”他说,“RS-25 发动机的持续使用”是一个典型例子,说明“在美国像燃料选择这种事情都可以政治化,而那些最直接、最理想的解决方案往往不可行。”

最终,NASA 没有为 SLS 火箭选择像甲烷或煤油等推进剂,而是选择使用液氢液氧混合物为这样一枚重型火箭提供动力。相比之下,SpaceX 即将发射的星际飞船使用的燃料是液态甲烷,氧化剂是液氧。比姆解释说:“由于他们的目标是登陆火星,SpaceX 之所以选择液态甲烷当燃料,也是希望能在火星上提取这种元素,打造节约成本的资源利用形式。”而 NASA 在设计 SLS 火箭时遵循的是一套不同原则,因为其总是资金紧张,而且不得不取悦美国国会。

NASA 在 2011 年的一份初步项目报告中写道:“根据目前的信息和分析,(拟议的 SLS 火箭设计) 代表开发新一代重型运载火箭中短期成本最低、可用时间最快、总体风险最小的方向。”“选择这种架构意味着短期内不需要开发新的火箭发动机,从而缩短首飞时间,并可能将 SLS 火箭的总体成本最小化。”

结果讽刺的是,SLS 火箭原本计划在 2017 年发射,但到现在还没有升空。立项至今,包括猎户座飞船在内的研发总成本已经超过 500 亿美元,其中还不包括每一次发射火箭所需的 41 亿美元。火箭继承了航天飞机的部件,NASA 也继承了氢气泄露问题。

有用但令人讨厌

氢作为火箭燃料非常有效。这种元素在地球上到处都是,清洁轻便,当与液氧结合时,燃烧效率极高。根据 NASA 的说法,“在与液氧等氧化剂结合时,液氢产生的比冲值是任何已知火箭推进剂中最高的。”当氢气冷却到零下 253 摄氏度时,体积大幅缩小,输送进火箭后能够提供大量燃料。比姆说:“氢燃料的优点是能在火箭中有效储存你想释放的能量,而且很轻,这一直是航天飞行要考虑的重要因素。”

NASA 在阿波罗时代的土星五号火箭第二级使用了液氢,航天飞机的三个主引擎也是如此。液氢通常用于火箭第二级的燃料,或者用作在轨运行航天器的液体燃料。目前使用液氢的火箭有阿特拉斯公司的半人马座火箭和波音的德尔塔 III 和 IV 型火箭,蓝色起源的 BE-3 和 BE-7 发动机也使用液氢作燃料。

比姆说:“氢燃料的缺点是很难运输和控制,因为氢分子很小,很容易泄漏,维持液体状态还需要冷却到极低温度。”更重要的是,氢在液态时极易挥发,有大规模燃烧的风险。作为已知的最轻元素,氢也很容易泄漏。NASA 解释过使用液氢作为燃料的诸多挑战:“为了防止蒸发或沸腾,以液氢为燃料的火箭必须小心与所有热源隔开,比如火箭发动机的尾焰或飞行过程中穿越大气层时产生的空气摩擦。一旦航天器进入太空,必须保护其不受太阳辐射的影响。当液氢吸收热量时,会迅速膨胀,因此还需要进行必要排气,防止燃料储罐过压发生爆炸。暴露在极冷液氢中的金属会变得易碎,此外液氢也会通过焊缝中的微小孔隙泄漏出来。”

尽管存在这些问题,NASA 在设计 SLS 火箭时还是选择了液氢当燃料,现在就付出了不小代价。

新火箭,老问题

当为 SLS 火箭加注燃料时,低温氢的突然流入会导致火箭物理结构发生巨大变化。据 NASA 称,40 米高的液氢储罐在充满超冷液体后,长度会缩短 152 毫米,直径缩小 25.4 毫米。这样一来,管道、排气管以及支架等连接到储罐的组件必须补偿这种突然发生的收缩。为了解决这一问题,NASA 在连接件中使用了类似于手风琴的波纹管、开槽接头、伸缩节和球接头铰链。

但是作为宇宙中最小的分子,氢还是经常会通过微小孔隙泄露出来。燃料管道存在泄露的问题尤其严重,因为它们不能用硬螺栓直接固定在火箭上。顾名思义,快速断开装置从设计角度就是要在发射期间与火箭快速脱离,同时还要防止氢气在高压和超低温环境下出现泄露、保证密封效果。周六,快速断开装置附近的氢气泄露浓度远远超过 4% 的上限。由于无法解决泄漏问题,NASA 不得不取消发射。

最令人担忧的是,当时 NASA 还没有为火箭第一级和第二级加注足够燃料,也没能进入发射倒计时。NASA 以前处理过氢气泄漏问题,所以工程师们需要再一次想出解决方案来推进这个项目。

不论如何,阿尔忒弥斯项目还是迎来一个沮丧的开端。

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关键词:NASA SLSSLS登月

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