世界上第一個可重復(fù)使用的航天器由四個部分組成——航天飛機本身，也被稱為軌道飛行器，加上一對固體火箭助推器和一個外部燃料箱。也許最容易辨認(rèn)的是外部燃料箱，這個熟悉的橙色結(jié)構(gòu)在航天飛機起飛時的大多數(shù)圖像中占據(jù)主導(dǎo)地位。它超過15層樓高，是航天飛機整體結(jié)構(gòu)中最大的部件。

 

噴涂在燃料罐鋁上的泡沫絕緣材料使其獲得了標(biāo)志性的橙色，它能夠防止超冷推進劑蒸發(fā)過快和外部積冰，燃料罐的主要工作是提供約535,000加侖(2025立方米)的超冷液氫和向航天飛機的三個主發(fā)動機輸送液態(tài)氧。氫氣和氧氣是性能最高的推進劑組合之一，NASA使用它的歷史甚至可以追溯到60-70年前。

 

20世紀(jì)60年代，美國國家航空航天局的1.5萬磅(6.8噸)推力的二級火箭半人馬(Centaur)首次成功地證明了液氫作為火箭燃料的可行性。半人馬完成了幾項關(guān)鍵任務(wù)，為阿波羅計劃中使用的土星5號火箭鋪平了道路，這直接推動了20世紀(jì)60年代和70年代的成功登月。

 

 

噴涂在燃料罐鋁上的泡沫絕緣材料使其獲得了標(biāo)志性的橙色

 

“液態(tài)氫在20世紀(jì)50年代真正得到大規(guī)模的使用，主要是受到國防相關(guān)活動的推動。當(dāng)NASA在20世紀(jì)60年代早期開始使用它的時候，對氫的需求與性能有關(guān)。”NASA肯尼迪航天中心低溫測試實驗室首席研究員亞當(dāng)·斯萬格向我們解釋道。

 

“對于火箭推進劑，你總是會使用液氧，然后你真的只有三種燃料可以選擇——氫、甲烷天然氣、還有我們稱為RP1的精煉煤油。在這三種組合中，液氫和液氧的性能最高。一旦你離開了大氣層進入了太空，從性能的角度來看液氧和液氫才是在哪里真正發(fā)光的燃料。”

 

“這就是為什么土星5號的第二和第三級采用了這種組合。第一級——每個人都會聯(lián)想到土星五號——有五個使用液氧和RP1的引擎。但第二和第三級是液氫和液氧，因為一旦進入太空我們就需要這種性能。這就需要我們在發(fā)射臺建立這些大型的，復(fù)雜的低溫儲存和傳輸系統(tǒng)。我們在肯尼迪航天中心為阿波羅建造了發(fā)射臺A和B。它們的布局基本上是相同的，它們都需要相當(dāng)大的液氫和液氧系統(tǒng)來為火箭提供燃料。”

 

液態(tài)氫仍然是美國太空探索的標(biāo)志性燃料，現(xiàn)在全世界的一個熱門話題是，它可以用來為未來的零排放商用飛機提供燃料。那么，NASA今天是如何獲得氫氣的呢？未來的氫氣會是綠色的嗎？

 

“這是一個很好的問題，也是現(xiàn)在非常流行的話題，”斯萬格回答說。

 

“佛羅里達州沒有任何大型氫氣液化設(shè)備，雖然很久以前就有需求了。我們從墨西哥灣沿岸地區(qū)（阿拉巴馬州或路易斯安那州）采購液態(tài)氫。它一直被卡車運送到數(shù)百英里，才能到達目的地。他們一波波地涌來，一次有五個罐車左右。”

 

“在早期，他們實際上有專用的液氫軌道車，所以他們將液氫罐放在這些車子上，并通過火車運送這些液體。但由于某種原因，這種方式很快就過時了，從那時起，公路罐車一直是首選的方法。”

 

“回到關(guān)于綠色氫的問題，到目前為止，我認(rèn)為我們購買的液體中沒有多少是綠色的。這是目前全球范圍內(nèi)的一個巨大話題。推動每個行業(yè)向氫能過渡的動力實際上是由存在于那里的潛在未來推動的，在那里你既可以制造氫，也可以使用零碳排放的氫。它是唯一可以賦予你這種能力的燃料。”

 

“而且我一直認(rèn)為，從消息傳遞的角度來看，我覺得我們作為氫的技術(shù)推動者，在傳達宇宙給我們的這份特別禮物——氫的這方面，做得還不夠好！”

 

目前，世界上大部分液態(tài)氫是通過稱為蒸汽甲烷重整(SMR)的過程產(chǎn)生的，該過程會產(chǎn)生大量二氧化碳。

 

“全球的目標(biāo)是從SMR過渡到電解槽。從經(jīng)濟上講，完全過渡需要一段時間，因為SMR是一個相對完善的流程。但是氫氣有不同的顏色，所以你仍然可以使用SMR并捕獲CO2，你會得到藍色的氫氣。會有一些橋梁讓我們進入綠色。我認(rèn)為它會相當(dāng)快地完成過渡，因為有這樣一種推動力讓我們走向綠色的一面，”斯萬格說。

 

“回顧航天飛機計劃和之前的歲月，液態(tài)氫是一個非常小眾的東西。沒有多少行業(yè)使用它，它遠離每個人的視線，我認(rèn)為沒有人真正關(guān)心它是如何生產(chǎn)的，因為它無關(guān)緊要。現(xiàn)在完全不一樣了。”

 

“除了用作火箭推進劑之外，NASA還通過燃料電池獲得了更多的氫經(jīng)驗，燃料電池在阿波羅和航天飛機飛行器中用作太空中電力和水的主要來源。”

 

“燃料電池是推動整個氫能企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，美國宇航局從事燃料電池業(yè)務(wù)已有一段時間了，”斯萬格熱情地說道。

 

“用于阿波羅和航天飛機的燃料電池與現(xiàn)在的版本相比，它們顯得非常龐大且效率低下。現(xiàn)在你可以得到真正有效的產(chǎn)品，我可以把它們放在桌子上。”

 

 

工作人員正從航天飛機上移除燃料電池

 

“使氫如此驚人的原因不僅在于它能夠以液態(tài)形式在世界各地移動大量能量，即作為能量載體，而且還能夠一直延伸到微觀使用水平，從個人車輛到火箭。”

 

“而燃料電池確實是其中的主要驅(qū)動力，因為如果你制造這些非常高效的電池系統(tǒng)，并且將它們做得非常小且具有成本效益，那么只要你有可用的氫氣，你就可以真正將它們放入任何東西中。”

 

“燃料電池不需要液體，它們只需要氣體。從液體使用的角度來看，液氫本身的最終用途并不多。火箭發(fā)動機恰好是少數(shù)在最終使用點實際消耗液氫的發(fā)動機之一。”

 

“基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)在是一個挑戰(zhàn)，我們正在努力建立它，但如果你有可用的氫氣，那么你幾乎可以使用燃料電池為你想要的任何東西供電。因此，這確實推動了這一領(lǐng)域的加速發(fā)展和大規(guī)模采用。”

 

 

NASA的液氫儲罐

 

談到與當(dāng)今廣泛使用的液化天然氣(LNG)相比，氫氣面臨的進一步挑戰(zhàn)，斯萬格繼續(xù)說道，“液態(tài)氫比LNG冷得多，液化和處理需要更多的能源。這就是許多科研團隊現(xiàn)在正在努力的地方，以弄清楚如何將我們所知道的LNG儲存（我們已經(jīng)做了幾十年）應(yīng)用到大型液氫罐中，還有什么差距我們需要解決。有挑戰(zhàn)，但在我看來這些都是可以實現(xiàn)的。”

 

隨著NASA展望即將到來的將美國宇航員送回月球的Artemis任務(wù)，氫將繼續(xù)發(fā)揮其關(guān)鍵作用。航天局剛剛對肯尼迪航天中心世界上最大的液氫儲罐進行收尾工作，該儲罐將為太空發(fā)射系統(tǒng)(SLS)火箭提供燃料。