氣體為航天事業(yè)“保駕護航”

     探索宇宙北京時間2022年4月16日9時56分，神舟十三號載人飛船返回艙在東風著陸場成功著陸，神舟十三號載人飛行任務取得圓滿成功。   作為中國人   我們?yōu)樽鎳教旒夹g進步倍感自豪!   作為氣體行業(yè)一員   我為我的職業(yè)而感到驕傲!   航天發(fā)射，燃料助燃、衛(wèi)星姿態(tài)調整等許多重要環(huán)節(jié)都離不開氣體的幫助。我國新一代運載火箭的發(fā)動機主要采用液氫、液氧和煤油作為燃料。氙氣擔負著在太空中調整衛(wèi)星姿勢、轉變軌道的重任。氮氣用于檢查火箭推進劑油箱、發(fā)動機系統(tǒng)等的氣密性。氣動閥部件可用氮氣作為動力源。對于某些在液氫溫度下工作的氣動閥門部件，采用氦操作。氮氣與推進劑蒸汽混合，沒有點火和**的危險，對推進劑系統(tǒng)沒有不利影響，是一種經(jīng)濟和合適的吹掃氣體。對于液氫-氧火箭發(fā)動機，在一定的日照條件下，必須用氦氣吹離。   

     氣體為火箭提供充足動力(飛行階段)   *初的火箭被用作武器或制作煙花。根據(jù)作用力和反作用力原理，火箭能產(chǎn)生一個方向的力——推力。為了使火箭產(chǎn)生所需的推力，就要利用燃料和氧化劑之間劇烈化學反應產(chǎn)生的受控**。**產(chǎn)生的膨脹氣體通過噴氣口從火箭后部排出。噴氣口將燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體引導成一股氣流，以高超音速(數(shù)倍于音速)的速度從后方逸出.   液體火箭的分級設計可能會有不同方案，具體取決于燃料和其他要求。液體發(fā)動機主要使用液氫液氧等液體推進劑，大家熟知的長征五號火箭使用的就是液氫液氧。液體推進劑，是液態(tài)的化學推進劑，是液體火箭發(fā)動機的動力源。常見的液體氧化劑主要有液氧、液氟、硝酸、四氧化二氮、過氧化氫、三氟化氯等;常見的液體燃燒劑主要有液氫、乙醇、煤油、肼類等。雙組元推進劑作為主流液體推進劑，在液體火箭發(fā)動機中需分開存儲，有需求時再混合燃燒。   氣體為航天員在太空呼吸提供保障   載人航天工程對航天員使用的氣體有著極為嚴格的要求，需要高純度氧氮混合氣體。氣體質量的好壞，直接影響著火箭發(fā)射結果和航天員的身體狀況。   

   航天員劉洋在太空自由活動   3名航天員在空間站生活時，每天所需1650升氧氣，執(zhí)行180天左右的任務需要大量的氧氣，那這些氧氣從何而來?*常見的方法就是：電解水。電解水之后，水會分解成：氫氣和氧氣。在太空當中，空間站可以利用太陽能板來獲取太陽能，通過太陽能發(fā)電來分解水。宇航員在太空中吸入氧氣后，會換出二氧化碳，然后收集這些二氧化碳和氫氣進行反應，生成甲烷和水。**，把甲烷排出空間站，然后留下水繼續(xù)使用。在空間站中，只需要分解1升的水(也就是我們常見的兩瓶礦泉水的量)，就可以制備620升的氧氣，而一個宇航員**所需要氧氣量是550升，也就是說，電解一升水，不僅夠航天員**的氧氣量，還有剩余。   尿液處理、電解制氧和二氧化碳還原系統(tǒng)   水也是航天員急需的，所以問題其實就轉換成了，空間站的水是如何保證的?實際上，空間站的水確實是通過貨運飛船送上去的。這些水會裝成一個個“包”，每個水包都有20升的水，也就是說，一個水包里的水就夠22天氧氣的供應。不過，這些“水包”并不是用來電解生成氧氣的，因為這樣做實在太浪費了。   

   宇航員每天在空間站當中，需要用到很多水，把水送到空間站并不容易，成本高昂。因此，這些水需要被非常高效地利用。在空間站當中，有一個水循環(huán)系統(tǒng)。其中，這個系統(tǒng)會把宇航員在工作和生活中用掉的水，空氣中的水蒸氣，甚至是航天員的尿液、汗液、都收集起來，進行廢水處理，會進行多次的蒸餾、分離、過濾，*終將這些廢水轉化為可以飲用的水。然后，再利用這些水進行電解，得到氧氣和氫氣，給航天員供應氧氣。這里要補充一下，供應給航天員的氧氣并非是純氧，要知道純氧對于人體來講是致命的。而高含量的氧氣也會影響人體正常的工作，為了保證宇航員正常呼吸，通常都是高純度氧氮混合氣體。這樣可以有效避免因高濃度氧氣帶來的病理威脅。   氣體為星際“旅行”提供動力   為什么要使用氙氣做推進劑?氙氣的原子量大，容易被電離，而且它沒有放射性，所以更適合被用作離子推進器的反應劑。原子的質量大這一點也很關鍵，這意味著加速到同等的速度下，質量更大的原子核所擁有的動量就越大，因此在噴射出去的時候，它給推進器提供的反作用力就越大，推進器的推力就越大。   

  早在2014年，我國首臺200毫米離子電推進系統(tǒng)經(jīng)過飛行驗證之后，持續(xù)工作超過了一萬小時。時至**，我國已經(jīng)明確提出空間站需要在軌工作15年左右，而為了維持空間站的高度不變，勢必要不斷地推進調控，于是霍爾電推進系統(tǒng)誕生了。我國的“天和”**艙當中裝有**率的霍爾電推進系統(tǒng)，它能夠持續(xù)提供空間站軌道維持的動力。氙氣是提供粒子的主要原料。  

  2017年4月12日，我國實踐十三號通信衛(wèi)星成功發(fā)射，衛(wèi)星在軌推進的推進劑采用的就是氙氣。2020年1月5日，我國研制的發(fā)射重量*重、技術含量**的高軌衛(wèi)星——實踐二十號衛(wèi)星成功定點，標志著東方紅五號衛(wèi)星公用平臺首飛取得成功。氙氣再次作為實踐二十號衛(wèi)星搭載雙模式推進系統(tǒng)的重要推進劑。   

  氣瓶在航天系統(tǒng)的應用   

1、作為動力源，利用高壓氣瓶中存儲的高壓氣體推動燃料箱中的燃料進入燃燒室中燃燒，從而產(chǎn)生推力，推動火箭飛往太空。   

2、飛船的姿態(tài)調整在眾多姿態(tài)調整方式之中，有一種*簡單的調整方式就是利用牛頓定律中作用力與反作用力的原理來調整，也就是噴射高壓空氣。這個時候我們就要提到高壓空氣的存儲物體，高壓氣瓶。  

 3、艙內生命保障系統(tǒng)生保系統(tǒng)中包含很多項目，例如：氧氣、水、食物等。那么我們現(xiàn)階段的載人航天都是利用循環(huán)系統(tǒng)，來回收和再生，這就必然會導致我們需要帶氧氣瓶進入太空。  

 4、艙外太空服的生保宇航員使用的宇航服因為環(huán)境不同，整體結構也更加龐大復雜，尤其是考慮到脫離飛船的太空行走等任務，宇航服需要配置齊全的生命維持系統(tǒng)，一般這套系統(tǒng)就在宇航服背后的那個“大背包”里。生命維持系統(tǒng)是一套復雜的機械設備，它需要考慮到宇航員穿著它之后具備一定時間的**運行能力，包括持續(xù)供氧、散熱、水分補充等功能。