咨询委员会
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航天、航空辅助动力催化剂的研制及应用

林励吾

1968年—1969年,国防科委的研究院委托我所研制“卫星等航天飞行器姿态控制用肼分解催化剂”。我所于1969年建立“肼分解催化剂研究实验室”。

姿态控制系统就是在各种航天飞行器的不同部位安装上几个或十几个肼分解发动机,肼分解催化剂就装填在这些发动机中。地面指挥系统控制不同部位肼分解发动机工作,可以使航天飞行器旋转、保持稳定飞行,还可以使航天飞行器俯仰、偏航、改变飞行轨道。在20世纪60年代末,美国科学家认为:“此种催化剂的发明,解决了航天飞行器姿态和轨道控制的难题,是航天技术里程碑式的一大飞跃。”

杨宝山、周业慎、姜炳南等在艰难的条件下,受命组织队伍,承担这个尖端的课题。这个研究集体本来大多是从事地面催化反应工程的,由过去的“单一的化学转化”变为“化学反应输入,力学参数输出”。概念变了难度大增。此外,反应条件也变得极为苛刻,在3万公里外的高空中却接近于绝对真空,发动机中的催化剂要耐1000℃左右的喷射气体高速冲刷和骤冷骤热(温差1000℃左右)的脉冲式工作200-20000次。这些天壤悬殊的要求与我们的地面研究工作相比,真有似登青天之感。肼分解催化剂研制过程中遇到的最大难题是肼分解催化剂不能满足多次室温起动的要求。开始制备的肼分解催化剂只能满足一次室温起动的要求,接着催化剂可以进行热脉冲工作,当催化剂在此冷到室温进行第二次室温起动时,肼分解催化剂就大量破碎,同时发动机性能就严重衰退。航天用肼分解催化剂与地面化工生产用催化剂不同,它不是温度压力恒定的情况下工作,而是在高低温、高压和真空交变情况下工作,肼分解催化剂每次都是在室温或-30℃,-40℃起动,肼分解反应产生大量氮、氢、氨气体,放出大的热量,催化剂温度升高到900℃。肼分解催化剂不能满足第二次室温起动的要求,表明催化剂在经过第一次高温工作后,催化剂结构有明显的变化,活性有明显的衰退。

一台肼分解发动机,按当时航天部要求,经常要求室温冷起动至少200次,热脉冲数万到十万次,指标要求是计算机测定的脉冲旋转冲量、旋转质心不允许超差,这实质就是要求每台发动机输出力量大小和方向不允许超差。航天事业对每项工作的要求是严格和高标准的,工作人员任何一步操作都需要严格按照航天事业的要求,认真做好每批催化剂制备和每一次交付实验。航天事业正是在严格的要求下培养了这一代人严格的实事求是的科研作风。30多年来各种型号交付使用的每批催化剂从未出过意外的差错。

我所研制的肼分解催化剂成功地应用于我国第一颗“东方红二号”通信广播卫星等。有两项成果分别于1985、1988年获得国家发明二等奖。 到目前为止,我国已经发射成功的长征系列火箭有12种。

为了该项研究的可持续发展,1995年,年仅32岁青年学术带头人张涛博士被所领导选派到航天肼分解催化剂组担任课题组组长。如何带领组内老中青三代科技人员开拓创新,为我国航天事业的发展再立新功,这一重担摆在了张涛的面前。他首先想到的是虚心请教那些工作经验丰富、为航天科技做出突出贡献的老同志。依靠他们长期保持的优秀传统保证工作质量。接着,利用所里催化基础研究的强大力量,招收一批博士研究生从事催化基础研究,从中选出优秀的博士从事航天催化研究,培养出以副组长王晓东为代表的一批青年科学骨干,这支老、中、青相结合,以青年学术带头人为首的队伍,得到国防科工委等领导部门的重视,获得了一批重大项目和基本建设资金的支持,成立了航天催化及新材料研究室,在新建的大楼中建立起现代化的全套装备,形成了肼分解催化剂研究、生产和评价试车综合能力的基地,大大提高了航天催化剂的性能,满足了新世纪我国航天事业飞速发展的需求。研究室以建设具有科技创新能力和辐射带动作用的国防工程为目标,不断开发新型肼分解催化剂,拓宽肼分解技术领域,重点发展无毒推进剂催化分解技术、凝胶推进剂催化分解技术以及航天特种功能材料,此外,张涛和其他科研人员还敏锐地意识到,课题组还可以在载人航天工程、飞机应急系统、无毒推进剂分解催化剂等方面开拓新的领域。12年来,这支队伍在奋斗中成长并已取得一批重大成果。主要贡献如下:

1. 航天飞行器长寿命姿态控制催化剂-肼分解催化剂

根据新一代长寿命卫星的开发需求着力研制新一代长寿命催化剂。通过基础研究改进催化剂结构,使其稳定性大幅度提高,冷启动从过去的200次提高到914次,热脉冲从2万次提高到20万次,可满足10年的使用寿命。据航天科技集团报告,在东方红二号、风云二号、资源一号、二号、探测一号、海洋一号等长寿命卫星和神舟飞船上得到应用,催化剂达到国际先进水平。

2. H70燃料分解催化剂

我国高性能飞机在试飞史上创造了“零坠毁”的世界奇迹,其保证措施之一在于该课题组研制的H70燃料催化分解技术。当飞机的主动力装置失效时,应急动力装置内的催化剂迅速分解H70燃料产生高能燃气,提供飞机所需应急动力。

1997年,课题组主动请缨,用不到一年时间,研制出满足试飞基本要求的初样催化剂,确保了飞机的首飞,解决了燃眉之急。该项目被国防科工委誉为“救火队”项目。此后,在研究中张涛等根据飞机与卫星飞行条件的不同,解决了低温启动难度大及水蒸汽对催化剂危害带来的影响。实现了肼水混合物推进剂的催化分解技术在我国的首次应用。2005年获军队科技进步一等奖,2006年获国家技术发明二等奖,大连化物所还因此项工作的贡献获国家科技进步特等奖。

3. 无毒推进剂分解催化剂

发展航天航空无毒催化分解技术,逐步取代有毒的姿控和主推系统现已成为新时期空间动力的发展趋势。我所从“九五”开始,系统开展了无毒推进剂的催化分解研究。2006年,高浓度过氧化氢催化分解技术已成功获得应用。2008年获得国家技术发明二等奖。

4. 拟人耗氧反应器组件及在神舟无人飞船中的应用

我所研制的基于固体材料化学法的拟人耗氧反应器组件,多次在神舟无人飞船中应用,成功考核了飞船环控生保系统的可靠性,为我国载人航天实现“跨越猴子阶段”做出重要贡献。2004年该技术在国内外载人航天领域属首次应用。

40多年来,在多次攻关的过程中,杨宝山、周业慎、张涛等先后担任组长领导全组工作功不可没,副组长崔永堂、关文、王晓东等也起到重要的辅助作用,室主任姜炳南、林励吾的指导也起到不可缺少的作用。尤其不能忘掉的是一批现已达退休年龄但仍坚守工作岗位的老同志,他们的敬业精神和严格的要求保证了催化剂的高质量。

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