论化学在航空航天中的应用

化学在航空航天中的应用作者：朱瑞峰北京航空航天大学152721应用化学班摘要：灌注氢气的飞艇正是第一种能够真正由人进行操作的飞行器；在航空制造发展的过程中，材料的更新换代呈现出高速的更迭变换，材料和飞机一直在相互推动下不断发展。“一代材料，一代飞机”正是世界航空发展史的一个真实写照；航空器、航天器往往要承受剧烈的温度变化，并被要求适应一个很宽的温度区间，这便严格要求了材料的使用。航天工程要求我们对航天器内的能量进行精密的调配，并构建物质循环系统。关键词：气球飞艇、填充气体、航空航天材料、航空燃料、火箭燃料、电池、隔热、循环系统1.气球飞艇：氢气到氦气的历程。不论在哪个时代，在哪个文明中，人类对天空的向往从未停止过。在1783年，人类制造出了在确切可考的历史中出现的第一个真正意义上的飞行器——热气球之后，紧接着在1784年，罗伯特兄弟便制造并试飞了人类历史上的第二种飞行器——飞艇。而飞艇正是第一种能够真正由人进行操作的飞行器。而飞艇的出现，则与世界上最轻的气体——氢气的发现与制造收集密不可分。氢气于1766年被卡文迪许（H.Cavendish）在英国发现。而在1780年，法国化学家布莱克(J.Black)把氢气灌入猪膀胱中，制得世界上第一个氢气球。由于氢气球无需外界提供能量，能够近乎无限的进行漂浮，布莱克的氢气球为人所知后，人们马上就开始想方设法地将之扩大规模，推进并驾驶气球。罗伯特兄弟便是先行者。1784年，罗伯特兄弟制造了人类历史上第一艘人力飞艇，它长15.6米，最大直径9.6米，充氢气后可产生1000多公斤的升力。罗伯特兄弟认为，飞艇在空中飞行和鱼在水中游动差不多，因此，把它制成鱼形，艇上装上了桨，而桨是用绸子绷在直径2米的框子上制成的。（齐柏林飞艇）二十世纪初，齐柏林飞艇的出现标志着飞艇的初步成熟，飞艇开始被大量应用于民用和军用领域，在20世纪20至30年代，美国建造了86艘，英国建造了72艘，德国建造了188艘，法国建造了100艘，意大利建造了38艘，苏联建造了24艘，日本也建造了12艘。这是飞艇的鼎盛时期，所以人们把这期间称作飞艇的“黄金时代”。在这个时代，绝大多数的飞艇灌装的是氢气这一易燃易爆气体，很不安全。在1937年，“兴登堡”号在着陆时因静电火花引起氢气爆炸，35人遇难。英、美也有多艘大型飞艇大都相继失事，此后飞艇的发展陷于停滞状态。70年代以来，随着压缩空气技术与分馏技术的进步，成规模地制取氦气（He）成为了可能，飞艇改用安全的氦气，其发展又呈活跃。采用多种新技术的新型飞艇被用于空中摄影摄像、巡逻等方面，洛杉矶、汉城和巴塞罗那奥运会和北京亚运会都可在会场上空看见它的身影。2.飞机时代：机体材料的革新解放了飞机性能提升的枷锁，航空燃料的发展得以满足喷气式发动机的需求。2.1机体材料的革新在航空制造发展的过程中，材料的更新换代呈现出高速的更迭变换，材料和飞机一直在相互推动下不断发展。“一代材料，一代飞机”正是世界航空发展史的一个真实写照。自莱特兄弟于1903试飞了飞行者1号之后，飞机在机体材料方面的革新与进步便从未停止过。第一架飞机由木材、帆布和金属构件组成，气动效率低，需要较大面积的机翼，固最早的飞机主体结构为木质双翼。此后飞机迅速地升级为钢管骨架，硬铝蒙皮的材料形式，提高了结构强度，优化了气动效率并发展出了单翼机。随着金属材料的发展，钢管骨架和铝皮的强度一步步提升，然而，随着喷气式飞机突破音障，飞机出现了热障问题，铝合金耐高温性能差的弱点越发凸显，限制了飞机的提速，需要选用耐热性更好的钛或钢。70年代以后，随着化学的发展，高强度的轻质材料涌现，飞机越来越多地使用以硼纤维或碳纤维增强的复合材料。铝、钛、钢和复合材料已成为飞机的基本结构材料。复合材料具有强度高、刚度大、质量轻、并具有抗疲劳、减振、耐高温、可设计等一系列优点。目前应用在飞机上的复合材料多采用夹层结构的设计来满足强度、刚度的要求。冲击韧性好的超高强度结构钢出现，为主起落架寻找到了合适的材料，飞机的重量规模上的限制被进一步放宽。附：以下是目前航空材料的主要类型清单。航空材料▪超高强度钢▪高温合金▪变形高温合金▪铸造高温合金▪镍基高温合金▪铁基高温合金▪钴基高温合金▪硼碳高温合金▪定向凝固高温合金▪定向共晶高温合金▪单晶高温合金▪低膨胀高温合金▪变形铝合金▪硬铝合金▪高强铝合金▪耐蚀铝合金▪锻铝合金▪线铝合金▪铸造铝合金▪铝锂合金▪变形镁合金▪铸造镁合金▪钛合金▪变形钛合金▪铸造钛合金▪结构钛合金▪抗蠕变钛合金▪粉末高温合金▪粉末钛合金▪粉末铝合金▪快速凝固材料▪雾化金属粉末▪惰性气体雾化粉末▪超声气体雾化粉末2.2航空燃料的发展在第二次世界大战的推动下,燃气轮机技术开始走向实用化,开始制造大批涡轮喷气发动机。由于这些飞机需要在1万米之上高空飞行,发动机必须适应高空缺氧,气温、气压较低的恶劣环境,所以要求喷气燃料清澈透明、不含悬浮和沉降的机械杂质和水分,还要有较好的低温性、安定性、蒸发性、润滑性以及无腐蚀性,不易起静电和着火危险性小等特点。随着精密分馏乃至超精密分馏技术的发展进步，以及对各种烃类性质的理解掌握程度加深，我们可以通过精确地控制燃料中各种烃类的配比，并研发添加防爆剂等添加成分控制并改善燃料的性能。2.3航空燃料的展望目前由于燃油紧缺和价格上涨,使得替代性航空燃料的研究成为当务之急。生物柴油是清洁的可再生能源,它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料,是优质的石油柴油代用品。3火箭时代：3.1早期酒精燃料二战期间，韦纳·冯·布劳研发了V2火箭，至此现代火箭诞生。V2火箭采用乙醇（酒精）与液态氧作为燃料，可是，酒精热值仅仅有5450千卡/公斤，而液氢的热值则高达40200千卡／公斤，超出酒精热值近七倍。这注定了酒精不适合作为火箭燃料。3.2肼类燃料而后出现了热值更高的燃料组合：即使用偏二甲肼等肼类作为还原剂、使用四氧化二氮作为氧化剂的火箭，我国的长征系列火箭即使用含氮燃料。1968年2月，由李俊贤主持研制的高性能化学推进剂——偏二甲肼诞生了，生产工艺和产品质量都达到世界先进水平。黎明化工研究院院长李志强：李院士是冒着安全上的风险和责任的风险，组织上决定让他用气相氯氨法去做偏二甲肼，但气相的偏二甲肼虽然速率高，但它毒性相对大，李院士和课题组就用液相法去开发偏二甲肼的生产，用了半年的时间，开发成功了。然而，偏二甲肼作为四级毒物中毒性最强的化学品之一，和属于三级毒物的四氧化二氮，会造成严重的环境污染问题。3.3航天煤油航天煤油也是火箭燃料的一个选择，碳氢燃料的效率较高，密度更高。但是燃烧的时候，燃烧室压力温度太高，发动机质量会收缩，温度难以控制。原始的煤油会分解和聚合。因为煤油是混合物，轻质量的成分会产生气泡，重质量的成分会产生沉积物，沉积在发动机上，并阻塞狭窄的冷却通道，缺乏冷却则进一步提升了燃烧室的温度，加速了煤油的分解。如此恶性循环，很快发动机就完蛋了。于是化学家造出来能抗热不分解的碳氢燃料，也就是航天煤油。首先，硫的含量必须严格控制，因为化石燃料都含有硫。而且硫在高温下会腐蚀金属，也会加剧碳氢燃料的聚合。烯烃和芳香烃降到很低的水平。这些不饱和的碳氢化合物不仅在高温下，在储存中都会聚合。也因为烯烃和芳香烃的含量低，RP-1比柴油更无毒，更不用说有毒的汽油了。人们合成了更合适的同分异构体，消除了线形的烷烃，取而代之的是高度分支和环状的分子。这增加了抗热分解的能力，并提高了辛烷值。而航空煤油，对抗热分解和同分异构体成分的要求就低很多。3.4液氢液氢作为除核燃料之外热值最高的燃料，理应在火箭燃料中占有一席之地被应用。液氢与液氧组成的双组元低温液体推进剂的能量极高，已广泛用于发射通讯卫星、宇宙飞船和航天飞机等运载火箭中。液氢还能与液氟组成高能推进剂。其具有以下优点：(a)氢是宇宙中最丰富的元素，在地球上的储量也排在第十位，几乎是取之不尽、用之不竭的。(b)氢是可再生的——当氢元素与氧元素发生化学反应时，其副产物为水（H2O），同样水也可以通过水解反应（使其分解为氢元素与氧元素）产生更多的氢气。(c)氢气可以干净地燃烧——与矿物燃料不同，氢气的燃烧不产生任何对环境有害的污染物。(d)氢气与烃类燃料相比，其重量更轻，产生的能量却更多。然而，液氢液氧燃料发动机一般只装载于第一节火箭中，因为其发射需要临时进行加注燃料，且是超低温加注，缓慢费时，属于高效但是缓慢的燃料。液氢的储运一直是巨大的难题。3.5固体燃料固体火箭发动机为使用固体推进剂的化学火箭发动机。固体推进剂有聚氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较，具有结构简单，推进剂密度大，推进剂可以储存在燃烧到中常备待用和操纵方便可靠等优点。适用于军事用途。然而固体燃料普遍效能不如液体燃料。所以液体火箭发动机才是航天发射的主流。4.航天时代：轻便耐热、隔热、航天器内部循环。4.1轻量化在航天工程中，每多运载一千克的物质进入太空，都要消耗大量的资金与资源。更重要的是，运载火箭的运载能力是颇为有限的，这便对航天材料的轻量化提出了要求。航天器的减重需要考虑多方面的需求，在保证结构强度、使用寿命、安全性能等指标的前提下尽可能选取轻质材料。含Mg、含Al的高性能合金，由于其密度小，在航空航天工程中被广泛地作为结构材料使用。而仅在需要高强度的零件上使用钛合金和特种钢铁。研制出轻量化高性能材料一直是提升航空航天器效率的重要途径，也是推动航天航空科学进步的重要动力。4.2隔热、耐高低温航空器、航天器往往要承受剧烈的温度变化，并被要求适应一个很宽的温度区间。在高温下利用材料所具有的熔解热、蒸发热、升华热、分解热、化合热以及高温粘性等物理性能来设计高温耐烧蚀材料和发汗冷却材料以满足高温环境的要求。而在低温下部分金属材料和绝大多数高分子材料在这种条件下都会变脆。我们通过发展或选择合适的材料，如纯铝和铝合金、钛合金、低温钢、聚四氟乙烯、聚酰亚胺和全氟聚醚等，才能解决超低温下结构承受载荷的能力和密封等问题。载人载具及装有精密仪器的还要求有着良好的保温性能。这些要求都对航空航天器的材料和其设计造成了巨大的挑战。化学研究者们一步步克服这些挑战带来的困难，推动着航空航天事业的进步。4.3内部循环系统航天工程要求我们对航天器内的能量进行精密的调配，并构建物质循环系统。许多航天器中都有着和太阳能电池组配合使用的氢氧燃料电池，通过循环使用氢氧元素，在能接触阳光的部分电解水生成氢氧，在暗面氢氧发电生成水以保障设备的能量供应。这样的氢氧燃料电池设计涉及了大量的化学知识，电极材料的选择、如何密封、如何增大重复次数，都是研究者们智慧的结晶。载人航天器中，我们需要运用化学方法来维持仓内的氧气、二氧化碳与水蒸气之间的平衡：图示系统中，座舱空气的循环系统和氢氧燃料电池系统是互相关联的。通过气体分离装置控制空气中二氧化碳的浓度，以维持宇航员的生命