中国新型火箭燃料（中国航天火箭燃料发展史）

一分钟并学会配制火箭原料 打破垄断，长征火箭液态氢燃料自主生产，美国卡不住中国航天命脉

液氢作为新一代运载火箭的主要燃料，在我国载人航天工程中被广泛使用，担负重任的长征五号、长征七号火箭采用的就是采用液氢、液氧、煤油作为燃料，在我们取得傲人成就的时候，外媒指出“只要法国人停止供应，中国空间站建设就得立刻暂停”，长征五号液氢燃料全部依赖法国法液空公司制氢设备。

真的是这样的吗？实事求是地说确实如此！这种情况已经彻底改变。

2021年9月20日，航天科技集团六院101所正式宣布我国自主研制的首套产量达到吨级的氢液化系统调试成功，并实现了连续稳定生产。

美国连同盟国想要卡住中国新型火箭脖子的时代一去不复返，中国运载火箭可以使用国产液氢燃料。

那么液态氢气生产有多难，我们竟然被“卡脖子”？突破首套吨级氢液化系统，我国又经历了什么？与欧美相比较，液氢产业链我们还有哪些短板呢？

液氢优势明显但储运难，美国占据全球产能8成以上

作为环保的清洁能源，因为其来源广泛、可储存、可再生、零污染等特性，成为我国火箭动力燃料发展乃至整个能源结构发展的优先目标，美国多年前就发布禁令，限制出口高纯度液氢。美国商务部工业和安全局（BIS）列出了管制清单，液氢位列其中，这意味着“材料加工”、“电子”、“航空航天推进”都受此限制。

不仅如此，美国还禁运了大规模液氢生产及运输的相关装备组件和技术。例如检测装备、生产装备(如氢液化装置、氢膨胀机、正仲氢转化器、液氢泵、DN50以上液氢阀门等)、材料(超低温用碳纤维增强复合材料)、工艺技术(10吨/天及以上氢液化装置与工艺)等。

为了做到“赶尽杀绝”，美国不允许NASA及美国企业与中国航天系统开展任何形式的交流或合作，不允许其盟国出售设备和技术。不过按照一贯作风，当我们有点进展的时候，美国还是忍不住想捞点钱。

上个世纪末期，我国自主研发了小型氦膨胀机和氢液化装置后，法国液空和德国林德这两家公司被允许出口低端产能装备，并且规定产能只能小于2吨/天，仅限于科研使用。至于10吨级以上的技术和装备，口径在DN50以上的泵阀等关键零部件都仍然“卡脖子”。

那么，氢气制取并非难事，美国等欧美国家，凭什么可以这样豪横，卡住脖子呢？

之一、氢气可以通过电解、工业副产氢等方式获得，氢气密度分子很小，体积大，不利于运输，必要想办法贮存，这就需要对氢气进行压缩液化。通过预冷和膨胀节流等工艺，把氢气降温到-253℃时，就能获得液态氢，密度是普通氢气的780倍，这样氢就可以高效地储存和运输。

有人会说只是为了运输方便，为什么不使用管道运输呢？诸如西气东输那样运送天然气不行吗？

的确，氢气可以通过管道运输，我国的氢气资源也存在分布不均的现象“用氢地区不产氢”，“产氢地区没装备”。使用管道建设成本太高，所以一般使用压缩车运输。欧美及日本相关数据表明，当运输距离超过200公里的时候，液氢的运输成本仅为高压氢气的1/5-1/8，所以从成本上必须搞定液氢产业链问题。

第二， -253℃低温是个重大考验，这需要从超低温原材料、加工工艺、技术水平上苦下功夫，最为关键的是，我们需要的高纯度液氢的设备更难研发，并不是一朝一夕就能取得成功的。

国标定义氢气纯度大于或等于5N(99.999%)为高纯氢，大于或等于6N(99.9999%)为超纯氢，目前我国高纯氢和超纯氢的消耗量约20万吨/年，其提纯、量产的核心设备就是“氢透平膨胀机”。

氢液化装置主要由透平膨胀机、换热器、压缩机和正仲氢转化器等设备组成。目前国外的大型氢液化装置主要采用液氮预冷搭配氢透平膨胀机组的技术路线，小型氢液化设备大多采用氦透平膨胀机制冷搭配J-T节流阀液化的技术路线。

去年的一篇关于氢液化的产业报告悲观地指出国内商品化的氢透平膨胀机还处于“0”的状态，氢液化系统核心设备完全依赖于进口。而且不说美国限制出口，林德、法液空这两家公司也不直接出售商用氢液化设备。

并且他们和美国空气产品公司一起几乎垄断了氢液化装置的市场和技术领域，其最为先进的氢透平膨胀机技术，可以实现单个产能30吨/天。

俄罗斯深冷机械公司也可以实现17吨/天的产能，我们的空间站需要运送物资、航天员，火箭燃料得不到保障怎么行！

第三、目前全球液氢产能约为500吨/天，而美国就有20座10吨以上的工厂，占据了全球85%的产能。的产能由欧洲、日韩把持。

而中国在用的液氢工厂仅有海南文昌、北京101所和西昌基地，都是服务于航天火箭，总产能仅为4吨/天，更大的海南文昌液氢工厂产能也仅2吨/天。

而文昌的这个2吨/天产能的蓝星(海南)航天化工有限公司，还是法液空以合作形式建立的，法液空的冷箱设备和配套相关设备，为长征五号和长征七号运载火箭唯一一家火箭燃料配套保障单位。

实事求是地说:火箭燃料卡脖子的情况是确实存在的。

不仅产能小，成本还高，中国液氢生产成本高达500元/kg，是美国的20倍，这极大限制了液氢在高端制造、冶金、电子、航天领域的使用，美国产能全球首位，中国民用产能却一片空白，欧美把持量产核心装备，用“卡脖子”来说并不为过，这站在前面的是法国、德国，背后确是美国的。

需求增加，技术全面发展，液氢产业链逐步突破

1956年，中国科学院物理研究所，在实验室之一次制备了液氢。1960年，制造了之一套小型氢液化装置，1966年，101所建成了100升/小时的氢液化装置，氢气在66K（-207.15 摄氏度）,3-1.5MPa的压力，可是实现液化率25%，生产液态仲氢（仲氢浓度大于95％）时，液化率就下降了3成，产能为70L/小时。

就是凭借着这套装置，从1966年到80年代末期退役，一直承担着我国之一代氢氧发动机研制的供给任务。

懂得历史的都知道，我们经历过“造DD的，不如卖茶叶蛋的”情况，所以直到1995年，101所从林德公司引进了一套产能为300升/小时的氢液化装置，该套设备采用氦制冷氢液化循环。后面又继续引进其他公司的设备，生产液氢，保障我国航天燃料的供应。

实际上，欧美、日韩，对液氢的需求和研发都是基于电子或航天工业的发展而不断进步的，美国早在50年代就开始大规模工业化生产液氢，在美苏争霸时期达到高产时代，仅在1965年-1970年就实现了日产液氢220吨。2019年，美国一座30吨/天液氢工厂开工建设，预计2021年美国本土的液氢产能将超过500吨/天，也就是说美国的液氢产能将占全球产能至少9成以上。

随着我国相关产业，尤其是航天事业的发展，对液氢的需求量越来越大，瓶颈就越来越多，美国制定的相关限制政策，意图十分明确，将中国航天封锁在摇篮里。

，他们估计到了我们的困难，却低估了我们的决心。我国氢气产量十分巨大，以前没有用武之地，随着电子制造，交通运输，航天事业的需求不断增加，国企、民企纷纷加入到液氢产业链条中，虽然直到2020年的产业报告都在指出我们还没有氢透平膨胀机，实际上我们的原理机、中试机已经取得成功

北京航天101所和北京中科富海低温科技有限公司都开发出了以氦透平膨胀机为核心的氢液化装置；

江苏国富氢能技术装备股份有限公司开发出了以氢透平膨胀机为核心的氢液化装置；

鸿达兴业使用北京航天101所提供的氢液化装置，已于2020年底成功生产液氢，打破了民用液氢市场的空白。

在液氢贮存方面，国内已打破液氢储罐的技术壁垒，缩短了和国外的技术差距，实现了液氢储罐的自主生产。2015年，实现了火箭发射场用300m大型液氢罐的自主设计和小批量生产，打破了发达国家在液氢储存领域的垄断之后，美国企业对中国液氢储运容器的管制开始有所放松

目前安置在海南文昌发射场的液氢储罐中，5个300立方米的储罐由张家港某制造，2个300立方米的储罐由某公司生产，1个120立方米的储罐由四川某公司提供。随着碳纤维产业的突破，成功解决了液氢存储轻量化难题，直径3.35米的储罐建造技术已经成熟。

2020年，科技部在“可再生能源与氢能技术”重点研发专项指南中设定目标研制液化能力≥5吨/天且氢气液化能耗≤13kWh/kg的单套装备，对标国外主流大型氢液化装置性能。

2021年9月20日，101所我国首台吨级以上液氢系统按计划顺利驱动，累计运行了35小时的稳定生产，产量为35.55立方米，设计产能为1.7吨/天，实际测得2.3吨/天，成功实现工业化吨级量产，需要强调的是，该生产系统解决了一系列关键技术难题，实现了自主化、国产化率90%以上。以长征五号火箭每次发射30吨的氢燃料需求来看，一条生产线半个月就能解决一发长征五号需求的氢燃料生产任务。

有了国产设备，接下来就像做共享单车一样，哪里需要“扫一扫”就可以了，产能取决于需求了。美国产能再高，份额再大已经和我们没有关系。想要通过禁令来“卡脖子”显然不能奏效，却更加坚定了我们国产化的道路，现在我们已经是唯一一个单个国家拥有空间站的，这在人类航天历史上是开创性的。

增效扩产，推动产业升级，液氢还有哪些短板？

上文提到了液氢的成本问题，主要是由于资源配置、产能不足已经配套不齐全造成的，随着对应用市场增设工厂，就地液化氢气，能够显著降低成本。一方面不断强化液化、固化氢气的技术力量，另一方面在需求较大的地方，寻找氢气资源，建造液化产线，缩短运输距离。

目前我国的工业副产氢气有很多，比如“焦虑煤气、丙烷脱氢、乙烷裂解、氯碱化工等，这些年产量超过1000万吨，其中，超过200万吨副产氢未被有效利用，若这些氢气通过液化储存再利用，可为5000多座1000千克／天的加氢站供氢。”开发氢能源尤其是液氢产业链的关键设备及技术，研究氢能综合高效利用的新方式、新 必将成为能源领域的潮流。

在太阳能制氢方面，在宁夏银川“太阳能电解水制氢综合示范项目”已经成功投产，它是已知全球单厂规模更大、单台产能更大的电解水制氢项目。使用20万千瓦光伏发电装置和产能为每小时2万标方的电解水制氢装置，其先进性达到国内外先进水平，而国内已签约光伏制氢项目超25个。

只是一个开始，随着液氢的重要性不断加强，欧美的封锁，我们更加自强不息，一方面寻求可以团结的资源为我所用，另一方面要做好以下事项

1、将液氢产业链的生产、储运作为重点专项，鼓励各多的科研院所以及企业加入到相关产业中来。

2、积极推进规模化液氢示范项目，大力支持液氢生产、储运技术的民用成果转化；

3、积极促进国内联合开发，我们产业的突破来自集体的力量，正是由于西安交通大学和北京航天试验研究合作开展大型氢液化装置和高效氢、氦透平膨胀机的研发工作，才让我们突破十分迅速。

在新能源上，我们从无到有，从低端到高端，需要的只是时间和市场，太阳能发电如此，风能发电如此，液氢能源更是如此，需求决定产量，仅此而已，脖子并不是谁想卡就能卡住的，命脉始终在自己手上。

相关阅读中国运载火箭如虎添翼，3.35米燃料箱用上国产碳纤维，日本傻了眼

中国航天火箭燃料发展史 为什么中国火箭不用液态氢做燃料