太空计划标志燃料：NASA分享为什么氢在其任务中扮演如此重要角色

由乔安娜·桑普森

2021年10月21日

赞助商简介AVL List GmbH - H2 View移动内容的官方赞助商

正是在10年前，美国国家航空航天局(NASA)的航天飞机最后一次在美国着陆，标志着历史上最成功的太空计划之一的结束。这是一艘与众不同的飞船，航天飞机像火箭一样发射，像滑翔机一样降落在地球上，将宇航员运送到太空并返回30年。

世界上第一个可重复使用的航天器由四个部分组成——航天飞机本身，也被称为轨道飞行器，加上一对固体火箭助推器和一个外部燃料箱。也许最容易辨认的是外部燃料箱，这个熟悉的橙色结构在航天飞机起飞时的大多数图像中占据主导地位。它超过15层楼高，是航天飞机堆栈中最大的部分。

让其标志性橙色的绝缘泡沫喷罐的铝结构阻止超级冷推进剂蒸发过快和冰从建立在外面,坦克的主要工作是供应约535000加仑的超级冷液态氢和液态氧航天飞机的三个主要引擎。氢和氧是性能最高的推进剂组合之一，美国国家航空航天局甚至在航天飞机项目之前就开始使用氢和氧。

20世纪60年代，美国国家航空航天局的1.5万磅推力的二级火箭Centaur首次成功地证明了液氢作为火箭燃料的可行性。半人马完成了几项关键任务，为阿波罗计划中使用的土星5号火箭铺平了道路，这导致了20世纪60年代和70年代的成功登月。

“液态氢在20世纪50年代真正大规模起飞，主要是受到国防相关活动的推动。当NASA在20世纪60年代早期开始使用它的时候，对氢的需求与性能有关。NASA肯尼迪航天中心低温测试实验室首席研究员亚当·斯万格向H2 View解释道。

“对于火箭推进剂，你总是会使用液氧，然后你真的只有三种燃料选择——氢，甲烷或天然气，然后是我们称为RP1的精炼煤油。在这三种组合中，液氢和液氧的性能最高。一旦你离开了大气层进入了太空，从性能的角度来看液氧和液氢才是真正发光的地方。

“这就是为什么土星5号的第二和第三级采用了这种结合。第一阶段——每个人都会联想到土星五号——有五个使用液氧和RP1的引擎。但第二和第三阶段是液氢和液氧因为一旦进入太空我们就需要这种性能。这就需要我们在发射台建立这些大型的，复杂的低温储存和传输系统。我们在肯尼迪为阿波罗建造了发射台A和B。它们的布局基本上是相同的，但它们需要相当大的液氢和液氧系统来为火箭提供燃料。”

液态氢仍然是美国太空探索的标志性燃料，现在全世界的一个热门话题是，它可以用来为未来的零排放商用飞机提供燃料。那么，NASA今天是如何获得氢气的呢?未来的氢气会是绿色的吗?

“这是一个很好的问题，也是现在非常流行的话题，”Swanger回答说。

“佛罗里达州没有大型的氢液化厂;虽然很久以前就有了。我们从墨西哥湾沿岸地区获取液氢，阿拉巴马州或路易斯安那州。它被卡车运到几百英里以外的地方，到达发射台。他们一波接一波地来，一次大约五艘。

“早些时候，他们实际上有液氢轨道车，所以他们把轨道直接穿过液氢罐，然后通过火车输送液体。但由于某种原因，这种方法很快就过时了，自那以后，公路上的油罐车一直是首选的方法。

“但回到绿色氢的问题上，到目前为止，不，我认为我们购买的液体中很少有绿色的，如果有的话。现在，这是一个全球性的大话题。每一个部门都在推动向氢过渡，这是由这个潜在的未来驱动的，在那里，你既可以生产氢，又可以使用氢，而且零碳排放。这是给你能力的唯一动力。

“我一直在想，从信息的角度来看，我觉得我们，作为氢的技术社区和推广者，在传达宇宙给我们的氢是多么特别的礼物方面做得还不够好!事实上，这只是一个很好的巧合，我们有这个选择。并不一定有一个燃料,可以创建和使用零碳排放,它正好是我们使用如果我们有意愿,可以算出技术部分,我认为这是一个很重要的问题谈论。”

NASA

目前，世界上大多数液态氢是通过一种称为蒸汽甲烷重整(SMR)的过程产生的，这一过程会产生大量的二氧化碳。

“全球的目标是用电解槽取代SMR。从经济上讲，完全过渡还需要一段时间，因为SMR是一个完善的过程。但是氢有不同的颜色，所以你仍然可以使用SMR来捕获二氧化碳，你得到蓝色的氢。桥牌上的颜色会让我们进入绿色。我认为它将很快接管，因为有这样的推动力，以达到绿色的一面，”Swanger说。

“回顾航天飞机项目，液态氢是一个非常小众的东西。没有多少行业使用它，它是如此远离每个人的雷达，我认为没有人真正关心它是如何产生的，因为它只是无关紧要的。现在完全不同了。”

除了用作火箭推进剂外，美国国家航空航天局还通过燃料电池对氢进行了进一步的研究。燃料电池曾用于阿波罗号和航天飞机，作为太空中电力和水的主要来源。

“燃料电池是推动整个氢事业发展的关键技术之一，而NASA在燃料电池领域已经有一段时间了，”Swanger热情地说道。

“与他们现在使用的燃料电池相比，阿波罗号和航天飞机上使用的燃料电池体积很大，效率很低。现在你可以得到一些非常有效的，我可以放在这里的桌子上。

“氢的惊人之处在于，它不仅能以液态形式在世界各地输送大量能量，这是一种能源载体，而且它还能一直向下延伸到微使用层面，从个人汽车到火箭。”

“燃料电池是真正推动这一趋势的因素，因为如果你制造出这些非常高效的燃料电池，让它们非常小，非常划算，你真的可以把它们放在任何地方，只要你有氢气可用。

“燃料电池不需要液体，它们只需要汽油。从液体使用的角度来看，液体本身并没有很多最终用途。火箭发动机碰巧是少数几个在最终使用时消耗液体的发动机之一。

“目前基础设施是一个挑战，我们正在努力建设，但如果你有了可用的氢，那么你可以使用燃料电池为几乎任何你想要的东西供电。因此，这确实推动了这一领域的加速和采用。”

在谈到与目前广泛使用的液化天然气相比，氢的进一步挑战时，Swanger继续说道:“液态氢比液化天然气温度低得多，液化和处理时的能源消耗更大。这是很多社区现在正在努力的地方，想要弄清楚如何利用我们在液化天然气储存方面的知识，我们已经做了几十年，并将其应用到大型液氢储罐中，我们需要解决的差距是什么。挑战是存在的，但在我看来都是可以实现的。”

当美国国家航空航天局(NASA)展望即将到来的将美国宇航员送回月球的阿尔特弥斯(Artemis)任务时，氢将继续发挥关键作用。美国宇航局正在对肯尼迪航天中心世界上最大的液氢储存罐进行最后的润色，该储存罐将为太空发射系统(SLS)火箭提供燃料。在我们对NASA的采访的第二部分找到更多关于这一点的信息，将在下周的H2 View上播出。