波音公司的“星际飞船”上的两名美国宇航局宇航员将在国际空间站停留数月,原因是推进系统出现故障,其中包括氦气泄漏。回到地球,由于地面设备的氦气问题,SpaceX的北极星黎明号任务已经推迟。
周五晚些时候,波音公司的星际飞船在新墨西哥州的沙漠着陆,无人驾驶。
过去受到讨厌的氦泄漏影响的任务包括ISRO的月船2号和ESA的阿丽亚娜5号。为什么宇宙飞船和火箭要使用氦?氦有什么棘手之处?
氦的原因吗?
氦是惰性的——它不与其他物质反应或燃烧——它的原子序数是2,是仅次于氢的第二轻的元素。
火箭需要达到特定的速度和高度才能到达并保持轨道。更重的火箭需要更多的能量,不仅会增加燃料消耗,还需要更强大的发动机,而这些发动机的开发、测试和维护成本更高。
氦的沸点也很低(-268.9°C或-452°F),即使在超冷的环境中也能保持气体状态,这是一个重要的特征,因为许多火箭燃料都储存在这个温度范围内。
这种气体是无毒的,但不能单独呼吸,因为它取代了人类呼吸所需的氧气。
它是如何使用的?
氦气用于给燃料箱加压,确保燃料不间断地流向火箭发动机;还有冷却系统。
当燃料和氧化剂在火箭发动机中燃烧时,氦气会填满燃料箱中的空白空间,保持内部的总压力。
因为它是非反应性的,它可以安全地与储罐的残余内容物混合。
容易漏水吗?
氦的小原子尺寸和低分子量意味着它的原子可以从储罐和燃料系统的小缝隙或密封件中逸出。
但是由于地球大气中的氦气非常少,所以很容易检测到泄漏,这使得氦气对于发现火箭或航天器燃料系统的潜在故障很重要。
今年5月,就在波音公司(Boeing)的“星际飞船”(Starliner)首次尝试发射首批宇航员的几个小时前,飞船内部的微型传感器检测到“星际飞船”的一个推进器上有一个小氦泄漏,美国宇航局(NASA)花了几天时间对其进行分析,然后认为它的风险很低。
在“星际飞船”于6月发射后,在太空中发现了更多的泄漏,这促使美国宇航局决定让“星际飞船”在没有机组人员的情况下返回地球。
一些工程师说,与太空有关的系统中氦泄漏的频率突出表明,整个行业都需要在阀门设计和更精确的阀门拧紧机制方面进行创新。
还有其他选择吗?
一些火箭发射用氩气和氮气等气体进行了实验,这些气体也是惰性的,有时会更便宜。然而,氦气在工业中更为普遍。
欧洲的新型阿丽亚娜6号火箭抛弃了其前身阿丽亚娜5号的氦气,采用了一种新颖的增压系统,将一小部分主要液氧和液氢推进剂转化为气体,然后将这些液体加压,供火箭发动机使用。
该系统在阿丽亚娜6号(Ariane 6)今年7月首次成功发射的最后阶段在太空中失败,为全球火箭行业的一长串增压挑战增加了新的一环。