化工助力航天追梦60载

为期7天的2016年全国科普日北京主场活动9月17日在奥林匹克国家公园拉开帷幕。今年恰逢中国航天60周年，相信天宫二号成功发射的喜悦依然萦绕人们心间。中国化工报记者在本次科普活动举办的庆祝中国航天事业创建60周年航天科技成果展上看到，长征系列火箭模型集体亮相，造型奇特的宇航服引得很多小观众驻足，150千克的太空南瓜更是让现场不少观众憧憬起太空生活。航天，可以让生活更美好；化工，则让航天成为可能。   　　

火箭燃料 更加安全环保

    　　展会现场，结构复杂的YF-77火箭发动机旁边围满了观众，争先恐后地与发动机合影留念。这台发动机是我国拥有自主知识产权、100%国产化的大推力氢氧发动机发动机，是为新一代大运载火箭长征五号芯一级研制，将于2016年底首飞。   　　

 

　　图为长征系列火箭模型。     　　其实说到火箭发动机的燃料，目前技术最成熟的燃烧剂是偏二甲肼，氧化剂则用四氧化二氮。欧洲的“阿里安”运载火箭，我国的长征系列运载火箭的第一、第二级燃料多数采用偏二甲肼和四氧化二氮组成的二元推进剂。但偏二甲肼毒性较大，损害人体的肝脏。尤其是四氧化二氮、偏二甲肼的燃烧产物，对人体损害更大，并严重污染环境，在灌注操作中非常危险。另外，偏二甲肼有腐蚀性，一旦错过了火箭发射的气象时间窗，就必须更换火箭箭体。因此，寻找更安全更环保的燃料变得相当迫切。   　　据北京航天动力研究所的工作人员丁建亮介绍，由于氢、氧燃烧的产物只有水，因此，可以实现绿色、环保、零碳排放。氢的能量密度很高，是普通汽油的3倍，这意味着燃料的自重可减轻2/3，这对火箭飞行无疑是极为有利的。但是，氢是所有元素中最活泼的，要控制好液氢燃烧的难度极高。所以液氢一般不作为第一、二级火箭的燃料来使用，避免发生低空发射爆炸事故。掌握大推力氢氧发动机技术是航天强国的重要标志，我国成为世界上第三个掌握控制液氢技术的国家。   　　此外，我国正在研制的另一种大推力发动机则采用液氧/煤油作为燃料。其中，煤油为燃烧剂，液氧作为氧化剂。这种燃料无毒、性能高、燃料密度高、价格低廉。值得一提的是，我国新一代运载火箭——长征五号即采用液氧/煤油推进剂。   　　煤油是由石油分馏或裂化所得。采用液氧/煤油作为燃料具有明显的优势：一是煤油作为常温推进剂，使用极为方便、安全性好；二是液氧/煤油组合密度比冲高，是理想的助推级发动机燃料；三是煤油价格便宜，每千克煤油的价格只有偏二甲肼的1/30，可以较大幅度地降低发动机的研制成本和运载火箭的发射费用；四是我国煤油资源丰富、贮量极大，可满足长远的需要；五是使用液氧/煤油发动机可完全消除四氧化二氮/偏二甲胼有毒且污染环境的缺点。   　　

化工材料 为宇航员披上“盔甲”

  　　现场展出的一件航天服，引得大量观众围观，一位母亲在耐心地为孩子讲解宇航员的特殊服装。太空中的环境与地球大不相同。太空的寒冷可瞬间冻结皮肤，太阳的炙热又可引起严重的烧伤，肉眼看不见的宇宙粒子随时可能穿透人体，严重缺氧会即刻失去意识，没有大气压，血液又会如开水般沸腾……面对恶劣的太空环境，航天服成为了宇航员在太空生存的必备物品。   　　

　　 图为航天服。（本文图片均由实习记者 李哲 摄）

　　航天服的历史可以追溯到1933年。当时由于人类还没有冲破大气层，所以当时的航天服被称作高空飞行员保护服。它是用橡胶做成的，看上去很像一个人形的大气球，在高空可以留住氧气，并提供必需的气压使飞行员免遭低气压的侵害。   　　到了1961年，近代的航天服问世。美国人阿仑·谢泼德所用的宇航服内层是涂有氯丁橡胶的尼龙，外层是镀铝尼龙，手肘、膝盖等关节部位缝入纤维切割线以增加灵活性。即使如此，在加压的服装内，宇航员仍然感觉难以弯曲手臂和腿。后来改用压力气囊和内部网状衬里，在封入空气压的压力囊外蒙上了一层用特氟龙混纺材料织成的网，即使空气压使航天服整体膨胀也容易弯曲，这就使衣服在加压状态下也能保持相对灵活，具有极佳的运动性。 　　 　　目前，最先进的航天服材料，被称作“聪明材料”。之所以“聪明”，是因为在两层聚氨酯之间夹着厚厚的一层聚合物胶体。如果聚氨酯层出现破损，胶体就在破损部位渗出、凝固，自动将漏洞堵上。   　　据介绍，神七航天员穿着的航天服，根据不同部位的使用性能，选取的材料也不同。面料采用高级混合纤维制成，具有高强度、耐高温、抗撞击、防辐射等特性。另外，原材料都具有很好的弹性，面料内层还有橡胶包裹，能够抵抗紫外线和强烈的宇宙辐射。   　　另外，在太空活动，手套和靴子是关键。手套必须确保能操作精密仪器，大拇指和手指尖部位采用硅橡胶材料，保证一定程度的灵敏“触觉”。靴子的表层除了橡胶鞋底外，为金属纤维织物；靴子的内层是特氟龙涂层的玻璃纤维布，紧接着是25层聚酰亚胺薄膜和玻璃纤维布间隔重叠的材料，保证了靴子的轻盈和隔热。   　　

特种涂层 为飞行器保驾护航

  　　在展会现场，不少观众发现，大部分的航天器都是白色的。这是巧合吗？答案当然是否定的。据现场工作人员介绍，白色涂料吸收太阳热辐射的能力差，可防止航天器内温度过高。此外，在火箭发射时，会有东西掉下来，这是隔热泡沫，也是火箭保温的措施之一。   　　大家不要小看了这些不起眼的泡沫，大名鼎鼎的哥伦比亚号航天飞机很有可能就是因为在升空阶段一个公文箱大小的隔热泡沫脱落，破坏了机身的保温涂层，导致哥伦比亚号的解体。由此可见，各种各样的涂层为航天器的正常运行起到了重要作用。   　　防热涂层体系主要包括有机硅树脂、环氧树脂、酚醛树脂等。其中，有机硅树脂具有较好的耐烧蚀性能和隔热性能，弹性好、不易开裂、贮存期长；同时，有机硅为非成碳型材料，易与雷达、红外等吸波隐身涂层配合。但这种涂层的粘附性能较差，不适用于强热流或强气动冲刷。环氧树脂虽然耐热性较差，涂层的隔热效果不如有机硅，但环氧树脂具有良好的结合力，制成的涂层粘附力强，结合紧密，在防护强热气流冲刷上具有较好的性能。   　　热控涂层主要应用于不同仪器设备的表面，是保证航天器内部结构部件、仪器设备在空间环境下处于一个合适的温度范围，能够正常工作的关键材料。为解决航天器在轨运行期间空间带电粒子相互作用电荷积累问题，航天材料及工艺研究所研制了ACR-1白色防静电热控涂层，该涂层具备防静电与透波兼容功能。   　　环境防护涂层主要涂敷于航天产品的外表面，解决航天产品地面环境、海洋环境和空间环境条件下的长时间贮存问题，是航天产品高可靠性、长寿命的重要保证。聚四氟乙烯具有优异的耐腐蚀性、耐老化性，可以应用于特殊介质的密封，以解决航天产品贮存过程中的防盐雾、防湿热、防霉菌问题。由于在深冷条件下仍能保持良好的弹性和韧性，聚四氟乙烯被广泛应用于深冷条件下的密封。