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航天、航空輔助動力催化劑的研制及應用

林勵吾

      1968年—1969年,國防科委的研究院委托我所研制“衛星等航天飛行器姿態控制用肼分解催化劑”。我所于1969年建立“肼分解催化劑研究實驗室”。
      姿態控制系統就是在各種航天飛行器的不同部位安裝上幾個或十幾個肼分解發動機,肼分解催化劑就裝填在這些發動機中。地面指揮系統控制不同部位肼分解發動機工作,可以使航天飛行器旋轉、保持穩定飛行,還可以使航天飛行器俯仰、偏航、改變飛行軌道。在20世紀60年代末,美國科學家認為:“此種催化劑的發明,解決了航天飛行器姿態和軌道控制的難題,是航天技術里程碑式的一大飛躍。”
      楊寶山、周業慎、姜炳南等在艱難的條件下,受命組織隊伍,承擔這個尖端的課題。這個研究集體本來大多是從事地面催化反應工程的,由過去的“單一的化學轉化”變為“化學反應輸入,力學參數輸出”。概念變了難度大增。此外,反應條件也變得極為苛刻,在3萬公里外的高空中卻接近于絕對真空,發動機中的催化劑要耐1000℃左右的噴射氣體高速沖刷和驟冷驟熱(溫差1000℃左右)的脈沖式工作200-20000次。這些天壤懸殊的要求與我們的地面研究工作相比,真有似登青天之感。肼分解催化劑研制過程中遇到的最大難題是肼分解催化劑不能滿足多次室溫起動的要求。開始制備的肼分解催化劑只能滿足一次室溫起動的要求,接著催化劑可以進行熱脈沖工作,當催化劑在此冷到室溫進行第二次室溫起動時,肼分解催化劑就大量破碎,同時發動機性能就嚴重衰退。航天用肼分解催化劑與地面化工生產用催化劑不同,它不是溫度壓力恒定的情況下工作,而是在高低溫、高壓和真空交變情況下工作,肼分解催化劑每次都是在室溫或-30℃,-40℃起動,肼分解反應產生大量氮、氫、氨氣體,放出大的熱量,催化劑溫度升高到900℃。肼分解催化劑不能滿足第二次室溫起動的要求,表明催化劑在經過第一次高溫工作后,催化劑結構有明顯的變化,活性有明顯的衰退。
      一臺肼分解發動機,按當時航天部要求,經常要求室溫冷起動至少200次,熱脈沖數萬到十萬次,指標要求是計算機測定的脈沖旋轉沖量、旋轉質心不允許超差,這實質就是要求每臺發動機輸出力量大小和方向不允許超差。航天事業對每項工作的要求是嚴格和高標準的,工作人員任何一步操作都需要嚴格按照航天事業的要求,認真做好每批催化劑制備和每一次交付實驗。航天事業正是在嚴格的要求下培養了這一代人嚴格的實事求是的科研作風。30多年來各種型號交付使用的每批催化劑從未出過意外的差錯。
      我所研制的肼分解催化劑成功地應用于我國第一顆“東方紅二號”通信廣播衛星等。有兩項成果分別于1985、1988年獲得國家發明二等獎。 到目前為止,我國已經發射成功的長征系列火箭有12種。
      為了該項研究的可持續發展,1995年,年僅32歲青年學術帶頭人張濤博士被所領導選派到航天肼分解催化劑組擔任課題組組長。如何帶領組內老中青三代科技人員開拓創新,為我國航天事業的發展再立新功,這一重擔擺在了張濤的面前。他首先想到的是虛心請教那些工作經驗豐富、為航天科技做出突出貢獻的老同志。依靠他們長期保持的優秀傳統保證工作質量。接著,利用所里催化基礎研究的強大力量,招收一批博士研究生從事催化基礎研究,從中選出優秀的博士從事航天催化研究,培養出以副組長王曉東為代表的一批青年科學骨干,這支老、中、青相結合,以青年學術帶頭人為首的隊伍,得到國防科工委等領導部門的重視,獲得了一批重大項目和基本建設資金的支持,成立了航天催化及新材料研究室,在新建的大樓中建立起現代化的全套裝備,形成了肼分解催化劑研究、生產和評價試車綜合能力的基地,大大提高了航天催化劑的性能,滿足了新世紀我國航天事業飛速發展的需求。研究室以建設具有科技創新能力和輻射帶動作用的國防工程為目標,不斷開發新型肼分解催化劑,拓寬肼分解技術領域,重點發展無毒推進劑催化分解技術、凝膠推進劑催化分解技術以及航天特種功能材料,此外,張濤和其他科研人員還敏銳地意識到,課題組還可以在載人航天工程、飛機應急系統、無毒推進劑分解催化劑等方面開拓新的領域。12年來,這支隊伍在奮斗中成長并已取得一批重大成果。主要貢獻如下:

      1. 航天飛行器長壽命姿態控制催化劑-肼分解催化劑
      根據新一代長壽命衛星的開發需求著力研制新一代長壽命催化劑。通過基礎研究改進催化劑結構,使其穩定性大幅度提高,冷啟動從過去的200次提高到914次,熱脈沖從2萬次提高到20萬次,可滿足10年的使用壽命。據航天科技集團報告,在東方紅二號、風云二號、資源一號、二號、探測一號、海洋一號等長壽命衛星和神舟飛船上得到應用,催化劑達到國際先進水平。

      2. H70燃料分解催化劑
      我國高性能飛機在試飛史上創造了“零墜毀”的世界奇跡,其保證措施之一在于該課題組研制的H70燃料催化分解技術。當飛機的主動力裝置失效時,應急動力裝置內的催化劑迅速分解H70燃料產生高能燃氣,提供飛機所需應急動力。
      1997年,課題組主動請纓,用不到一年時間,研制出滿足試飛基本要求的初樣催化劑,確保了飛機的首飛,解決了燃眉之急。該項目被國防科工委譽為“救火隊”項目。此后,在研究中張濤等根據飛機與衛星飛行條件的不同,解決了低溫啟動難度大及水蒸汽對催化劑危害帶來的影響。實現了肼水混合物推進劑的催化分解技術在我國的首次應用。2005年獲軍隊科技進步一等獎,2006年獲國家技術發明二等獎,大連化物所還因此項工作的貢獻獲國家科技進步特等獎。

      3. 無毒推進劑分解催化劑
      發展航天航空無毒催化分解技術,逐步取代有毒的姿控和主推系統現已成為新時期空間動力的發展趨勢。我所從“九五”開始,系統開展了無毒推進劑的催化分解研究。2006年,高濃度過氧化氫催化分解技術已成功獲得應用。2008年獲得國家技術發明二等獎。

      4. 擬人耗氧反應器組件及在神舟無人飛船中的應用
      我所研制的基于固體材料化學法的擬人耗氧反應器組件,多次在神舟無人飛船中應用,成功考核了飛船環控生保系統的可靠性,為我國載人航天實現“跨越猴子階段”做出重要貢獻。2004年該技術在國內外載人航天領域屬首次應用。
      40多年來,在多次攻關的過程中,楊寶山、周業慎、張濤等先后擔任組長領導全組工作功不可沒,副組長崔永堂、關文、王曉東等也起到重要的輔助作用,室主任姜炳南、林勵吾的指導也起到不可缺少的作用。尤其不能忘掉的是一批現已達退休年齡但仍堅守工作崗位的老同志,他們的敬業精神和嚴格的要求保證了催化劑的高質量。

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