很多人都聽說過,中國研發(fā)出了煤基航天煤油,也就是用煤來制造航天煤油的事情。聽起來,好像也就是解決了高度依賴石油的難題,最多算是石油制品的替代品,性能有可能還比不上以前的航天煤油,沒有什么好炫耀的。實際上,全世界掌握煤制航空煤油的國家不少,但掌握煤制航天煤油并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的,中國是獨一份。另外,如果大家了解航天煤油成分有多特殊,用煤來制造航天煤油有多困難,煤基航天煤油有什么優(yōu)勢,大家也就不這么說了。今天就跟大家一起了解一下不一般的煤基航天煤油。
了解汽車的朋友都知道,越高檔的汽車,對油品的要求就越高,賽車比普通汽車對油品的要求都高,飛機又比各種汽車對油品的要求高,而火箭對油品的要求又是比飛機還要高的,這樣你就理解航天煤油的可貴之處了吧?;鸺且淮涡缘模看蔚陌l(fā)射成本非常高昂,一旦發(fā)射失敗,其損失非常大。這也意味著,每次航天發(fā)射對火箭生產(chǎn)本身以及火箭的燃料要求都是極高的,不容許差不多、湊合著。
就像剛剛說的,航天煤油比航空煤油生產(chǎn)標準要求更高,中國已經(jīng)掌握了航空煤油的生產(chǎn)技術(shù),航空煤油實現(xiàn)自給自足已經(jīng)沒有問題。但是航空煤油是不能給火箭用的,航空煤油產(chǎn)量雖高,但航天煤油卻不能借上東風。據(jù)報道,全國只有一個油田的石油適合用來生產(chǎn)合格的航天煤油。國外航天煤油很多,但想進口,卻是很困難的事情,成本高不說,還會受到很多限制。
其他火箭燃料往往都是單一成分的,比如液氫、液氧、甲烷、偏二甲肼,往往純度越高,效果越好,生產(chǎn)這些燃料努力提高純度就好了,至少保證一個最低純度就行,研發(fā)和生產(chǎn)難度不大。但航天煤油不行,煤油本身就不是一種簡單的物質(zhì),它是由很多成分混合在一起的,說有幾十種物質(zhì)一點都不夸張。不同類型的煤油,成分組成也不一樣,工業(yè)煤油、飛機用煤油和火箭用煤油的成分差異都很大。所有的煤油都不是單一的成分,或多或少都有其它成分存在。煤油里面主要有烷烴、烯烴和芳香烴三大類成分,其中烷烴最多,是所有煤油的主要成分。大家應(yīng)該能想到,不同的成分有不同的特點,每種成分有優(yōu)點也有缺點,大家混合在一起可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補,相互之間并不是簡單的替代關(guān)系,這時候配比就顯得尤其重要了。
正是因為煤油由多種成分混合而成,所以不同的油品成分不一樣,性能也不一樣。對于性能容忍度比較高的用途,比如煤油燈、打火機,各種煤油都可以用,但對于要求高的領(lǐng)域,比如航空航天領(lǐng)域的發(fā)動機,換一種油品,有可能直接損傷發(fā)動機或者管路。尤其是航天發(fā)動機,換一種油品需要慎之又慎。因為火箭發(fā)射需要嚴格控制各種參數(shù),讓所有參數(shù)都在可控范圍內(nèi),發(fā)射的成功率才能控制好。尤其是發(fā)動機,各種參數(shù)都是反復(fù)試驗得到的,通過不斷試車和發(fā)射獲得穩(wěn)定的技術(shù)參數(shù)。
火箭系統(tǒng)非常復(fù)雜,工作環(huán)境也非常復(fù)雜,一個閥門、一個管道出問題都有可能是致命性的。成熟的火箭都是反復(fù)磨合的結(jié)果,可靠性是通過性能參數(shù)的穩(wěn)定性來確保的。一旦更換一種燃料,性能參數(shù)就會發(fā)生變化,帶來的不確定性,是很難控制的,正所謂差之毫厘謬以千里。
正因如此,航天煤油的提煉,不是隨便一種石油就可以的,因為每一種石油的成分跟其他石油都不一樣,同樣的提煉流程,不同石油得到的煤油成分也不一樣,性能參數(shù)也不一樣。換一種石油,就會得到差別很大的煤油,雖然從宏觀指標上差異不大,比如沸點、燃點、閃點這些參數(shù),但更具體的一些參數(shù)還是會有變化,畢竟成分變了。換一種煤油,就算主要參數(shù)指標一致,也需要不斷試驗和磨合才能最終確定能不能用。
就比如中國研發(fā)的煤基航天煤油,2006年左右啟動煤基航天煤油的相關(guān)研究,雖然在配方上早有突破,但直到2015年才宣布初步試驗成功,2017年8月才真正實現(xiàn)熱試車成功,一直到2022年底,一共參與各型號發(fā)動機熱試車220余次,通過大量試車,才基本確定煤基航天煤油和現(xiàn)役航天煤油在主要性能參數(shù)上保持一致,比如比沖性能、冷卻特性、流阻性能、燃燒特性等。這才基本確定,煤基航天煤油可以應(yīng)用到航天飛行中,也就是以后發(fā)射的長征五號、長征六號、長征七號等火箭可以使用煤基航天煤油了。如此謹慎的替換過程,大家也就知道研發(fā)一款新型的航天煤油有多難了吧。
越復(fù)雜的成分,復(fù)制的難度就越大,就像我們耳熟能詳?shù)哪切┟?,比如茅臺、五糧液、路易十六、82年的拉菲等等,想復(fù)制一瓶一模一樣的,非常困難。就算你能夠通過分析測試手段知道復(fù)制對象的具體成分,想實現(xiàn)工業(yè)化復(fù)制依然無比困難。實現(xiàn)相同成分困難,而要實現(xiàn)不同成分相同性能,難度也是可想而知的。
煤基航天煤油替換有什么好處嗎?當然,最大的好處就是可以擺脫對石油的依賴。我們都知道,石油是臨近枯竭的不可再生資源,而中國石油絕大多數(shù)是依賴進口的,一旦石油供應(yīng)中斷,對中國各行各業(yè)的影響是非常大的,這也正是中國不斷發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)的主要動力。相對來說煤雖然也是不可再生資源,但儲量卻遠遠高于石油,中國還是世界上煤儲量最高的國家之一,此外,隨著環(huán)保壓力的越來越大,用煤直接做燃料的場景將越來越少,科學利用煤炭資源也是當務(wù)之急。生產(chǎn)并使用煤基航天煤油,對于確保燃料穩(wěn)定供應(yīng)和穩(wěn)定燃料價格有非常重要的意義。
用煤來生產(chǎn)的煤油,相對于石油提煉的煤油來說,成分更簡單,絕大多數(shù)都是烷烴,而且是鏈烷烴為主,非常適合作為原料煤油,根據(jù)需要調(diào)配生產(chǎn)合適參數(shù)的航空航天煤油。煤基航天煤油,目前最大的優(yōu)勢是成分穩(wěn)定性高,也就是不同生產(chǎn)批次生產(chǎn)的煤油,成分一致性非常好,有利于長期穩(wěn)定生產(chǎn),使用也不容易出問題。煤基航天煤油還有一個優(yōu)勢就是含硫和含氮的物質(zhì)非常少,生產(chǎn)過程中就減少了有害成分分離的難度,對環(huán)境也更加友好。
有朋友會說了,都是用來飛的,都叫煤油,為啥火箭就不能燒航空煤油呢?超音速飛機用的煤油,油品應(yīng)該也不會差吧,為啥火箭也不能用?因為火箭發(fā)動機的工作原理和飛機發(fā)動機工作原理不一樣,火箭內(nèi)部管路和發(fā)動機對油品的要求與飛機差別也很大,專門為飛機優(yōu)化的煤油,用到火箭上很有可能會出事故。
比如航空用煤油跟我們?nèi)粘J褂玫钠鸵粯有枰幸欢ǖ目贡阅?。不抗爆的汽油或煤油是會損傷發(fā)動機的。我們汽車用汽油的牌號就是用來表示抗爆性能的。往油品里面添加一定量的芳香烴,就可以起到抗爆的作用。航空用煤油就需要含有一定量的芳香烴才行。但是火箭發(fā)動機工作原理不一樣,對燃料抗爆性的要求并不高,但對燃料儲存穩(wěn)定的性要求很高。燃料如果被氧化,就會形成沉淀,堵塞管路,甚至會腐蝕金屬。芳香烴的穩(wěn)定性是比較差的,在航天煤油里面含量太多的話,就容易被氧化,也容易在高溫狀態(tài)下結(jié)焦,影響火箭工作的穩(wěn)定性。芳香烴的燃燒性能、熱值、比沖等性能也不是很好,影響火箭性能的發(fā)揮。所以用在飛機上的煤油是不能直接用在火箭上的。
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