航天也要節(jié)能減排？揭秘火箭的“綠色革命”
近年來全球運載火箭發(fā)射數(shù)量急速增加，從2017年的91次已經(jīng)攀升至2023年的233次，增加了兩倍多。隨著一次次點火升空，人類不斷嘗試書寫航天領(lǐng)域的新篇章，運載火箭對于地球環(huán)境的影響也越來越受到大眾的關(guān)注。日前，國務(wù)院發(fā)布《2024-2025年節(jié)能降碳行動方案》，這讓很多人開始重新認(rèn)識航天熱潮與節(jié)能降碳的關(guān)系。如何守護這顆藍(lán)色星球，讓航天與環(huán)保同行？
01 火箭發(fā)射對環(huán)境到底有什么影響？
火箭尤其是使用常溫燃料火箭在發(fā)射過程中產(chǎn)生的毒氣、廢氣、廢棄物等確實會對環(huán)境造成一定影響。點火升空的瞬間，火箭推進劑燃燒產(chǎn)生的熊熊火焰會產(chǎn)生許多不同的排放物。
在這些物質(zhì)中，氮氧化物、硫化物和一氧化碳直接對人體有害；氯、氧化鋁和氮氧化物則會破壞臭氧層，自1996年以來一直受到嚴(yán)格監(jiān)測和限制。二氧化碳、氮氧化物會吸收更多的熱量，被視為一種溫室氣體。此外，硫化物和氮氧化物還會導(dǎo)致酸雨，對各種生物不利。
在固體火箭發(fā)動機產(chǎn)生的尾氣中含有氯、氧化鋁，是航天活動產(chǎn)生的特有污染物，由于是已知的“臭氧殺手”，最早受到航天界的關(guān)注。
火箭發(fā)射尾氣中的煙塵對臭氧層也有著重大的影響?；鸺┻^平流層，其尾氣煙塵在此的停留時間長達(dá)2到3年，是人類唯一能直接在平流層產(chǎn)生氣溶膠污染的方式。
排放問題不是運載火箭對環(huán)境的唯一影響。由于大多數(shù)火箭是一次性使用的，其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放也會對環(huán)境產(chǎn)生影響，墜落于地球表面的廢棄零件如固體燃料殘骸、火箭碎片等也會在海洋或陸地上產(chǎn)生污染。
02 火箭發(fā)射的環(huán)保進階之路
當(dāng)然，航天科研人員并不會對此坐視不管。
如果你看過火箭發(fā)射的直播畫面，可能會注意到，在其升空的一剎那，發(fā)射平臺會在幾十秒內(nèi)有大量白色水霧噴涌而出。水的使用不僅僅是作用于發(fā)動機冷卻、保護發(fā)射臺和降噪，同時也是為了滿足環(huán)保的需求?；鸺l(fā)射后，發(fā)射臺上往往會殘留有許多灰塵和化學(xué)物質(zhì)，采用大量的水通過沖洗和清理的方式，可防止其對環(huán)境造成進一步的污染，也有助于下一次發(fā)射的順利進行。
科研人員還會利用催化還原、吸附等方法對火箭發(fā)射產(chǎn)生的廢氣進行處理。2002年神舟三號發(fā)射時，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心首次將航天發(fā)射場推進劑廢氣處理系統(tǒng)投入使用，將火箭推進劑加注時產(chǎn)生的廢氣輸送到凈化裝置中，與燃燒劑進行混合燃燒，使有毒廢氣得到凈化。
為了徹底消除常溫推進劑火箭在發(fā)射過程中產(chǎn)生的毒氣，我國正在用新一代使用清潔低溫推進劑火箭淘汰常溫推進劑火箭。比如長征七號就是在長征二號F火箭的基礎(chǔ)上，把箭上的四氧化二氮/偏二甲肼常溫推進劑發(fā)動機換成液氧/煤油低溫推進劑發(fā)動機。替換的好處不僅帶來推進劑綠色環(huán)保，還提高了火箭運載能力、降低了推進劑成本、為今后的可重復(fù)使用進行了鋪墊。
2021年5月29日，搭載著天舟二號貨運飛船的長征七號遙三運載火箭在海南文昌航天發(fā)射場點火發(fā)射。細(xì)心的人們會發(fā)現(xiàn)，這一次火箭點火的瞬間，“大力水手”長征七號的尾部沒有出現(xiàn)因四氧化二氮不充分燃燒而形成的紅色“煙霧”，取而代之的是如同棉花糖般的白“煙”。
圖片來源：新華社（琚振華 攝）
發(fā)射一枚火箭，需要耗費高品質(zhì)的燃料來提供動力。為了進一步綠色化，生產(chǎn)燃料的方式也要“可再生”。目前航天技術(shù)上，火箭通常采用碳?xì)淙剂献鳛橥七M劑的液體，通過蒸汽重整法生產(chǎn)，它的原理是將天然氣、石油等碳?xì)浠衔锱c水蒸氣反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和二氧化碳，還會產(chǎn)生一氧化碳這樣的副產(chǎn)品。如果通過電解法，利用太陽能和風(fēng)能產(chǎn)生的電力分解水產(chǎn)生氫氣，產(chǎn)出的“綠氫”將更加清潔。歐洲、日本的一些公司甚至還使用從牛糞中提取的液化生物甲烷作為火箭發(fā)動機燃料。
03 朱雀二號領(lǐng)航：商業(yè)航天走向綠色可持續(xù)
火箭推進劑是決定火箭能力的關(guān)鍵因素，推進劑在火箭發(fā)動機中快速燃燒，幫助實現(xiàn)火箭升空、加速和改變軌道，推進劑的性能直接影響火箭的推力和速度。
目前主流使用的大多是液氧/煤油推進劑火箭，成本較低、比沖較高，但易積碳、結(jié)焦。液氫/液氧推進劑盡管比沖很高，燃燒產(chǎn)物也很干凈，但由于密度過低，造成火箭體積過大，目前難以在基礎(chǔ)級單獨大規(guī)模使用。
液氧/甲烷推進劑，因其燃燒效率高、綠色環(huán)保、成本低、易制取等特點，正逐漸被世界各國認(rèn)為是火箭發(fā)動機推進劑的理想材料之一。
液氧是氧氣的液態(tài)形式，它能為火箭發(fā)動機提供充足的氧化劑；甲烷是僅次于氫氣的清潔度第二高的化合物，不僅燃燒穩(wěn)定，而且?guī)缀醪划a(chǎn)生積碳，這使得發(fā)動機的回收復(fù)用變得更加容易。
但液氧/甲烷火箭的研制并非易事，它涉及到發(fā)動機設(shè)計、材料選擇、燃料存儲等多個方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。在世界范圍內(nèi)，液氧甲烷火箭已進入快速研制發(fā)展期，中國科研工作者同樣在不斷創(chuàng)造突破。
2023年7月12日，我國的朱雀二號遙二運載火箭成功入軌，這是全球首枚成功入軌的液氧/甲烷火箭，也是國內(nèi)民商航天首款基于自主研制的液體發(fā)動機實現(xiàn)成功入軌的運載火箭，這一里程碑式的事件標(biāo)志著我國綠色航天邁出了更加堅實的一步。
朱雀二號遙二運載火箭發(fā)射成功。
圖片來源：新華社（汪江波 攝）
上文提到，火箭的制造本身也會產(chǎn)生大量的二氧化碳和污染。如果火箭能夠重復(fù)使用，就可以在火箭的生命周期內(nèi)分散這些制造排放，并大大降低其上天的成本。作為朱雀二號的下一步，同樣使用液氧/甲烷推進劑的朱雀三號可重復(fù)使用火箭也在穩(wěn)步推進中。2024年1月19日，朱雀三號可復(fù)用火箭完成首次大型垂直起降飛行試驗，火箭計劃于2025年具備首飛能力。
為了進一步支撐我國未來大型航天任務(wù)需求，我國還開展了200噸級全流量補燃循環(huán)液氧/甲烷發(fā)動機研制工作。目前已經(jīng)完成發(fā)動機方案論證，成功完成了火炬點火器熱試、燃?xì)獍l(fā)生器縮尺件熱試及推力室縮尺件熱試考核。
人類向往浩瀚蒼穹，渴望揭開宇宙深處的奧秘。而在這個過程中，不僅要追求科技的進步，更要將綠色理念深深植根于航天探索的每一個環(huán)節(jié)。我們有理由相信，科技的力量能夠讓宇宙探索之路更加清潔、可持續(xù)，在星辰大海間，讓我們留下人類智慧與文明的印記，更留下對自然敬畏與保護的永恒承諾。
作者：于遠(yuǎn)航 北京宇航系統(tǒng)工程研究所高級工程師
審核：龐之浩 全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家
出品：科普中國
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