火箭要烧煤？科学家说是的，不过不是精选煤，而是煤炼油

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　　今天我们要聊一个硬核的话题，它不仅关系到我们国家的安全，也关系到人类探索星辰大海的征途。它就是导弹和火箭的动力之源——推进剂。
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　　本视频发布于2021年8月27日，播放量已达7万
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　　袁岚峰： 大家好，我是科技袁人袁岚峰。
　　今天我们要聊一个硬核的话题，它不仅关系到我们国家的安全，也关系到人类探索星辰大海的征途。它就是导弹和火箭的动力之源——推进剂。
　　下面让我们欢迎中国科学院上海有机化学研究所的研究员杨军老师！
　　杨军： 谢谢袁老师。
　　袁岚峰： 中国科学院上海有机化学研究所，对于我们化学专业来说，这是一个非常鼎鼎大名业界享有盛名的这么一个机构，如果要说到这个所的研究成果，我想即使是非常外行的人都会听说过一个就是人工合成牛胰岛素。
　　【有机所如何实现人工合成牛胰岛素】
　　袁岚峰： 它是人类合成第一个蛋白质是吧？
　　杨军： 是人类做的第一个蛋白质的分子。其实有机化学这个名字里边就往往包含着一些神秘的东西，最早的时候大家经常说有机物质就是那些上帝能做得出来，但是人做不出来的。
　　袁岚峰： 活力论，有机跟无机之间是有截然的分界的。
　　杨军： 如果真的理论是这个样子的话，那就不应该存在有机所了。所以当时在有机物的合成已经成为现实以后，大家还觉得蛋白质这样子的生命里边的这种物质能不能通过人的手进行合成，合成出来以后它还有没有活性，这些都是有很多的问题，所以当年在60年代的时候，我觉得我们国家的科学家几个单位，包括我们当年有很多老的学部委员，他们带队去做了大量的这种工作，那个时候我们经常听说他们合成的条件比较差，用二氯甲烷、用乙醚对人的伤害还是比较严重的。
　　当年的时候也没有这么多先进的科学仪器，像质谱、色谱，包括红外，当年其实最主要依赖的还是元素分析，所以那个时候我们汪猷老先生就说元素分析一定要通过，不通过的话就不能冒险去走下一步。
　　袁岚峰： 我来向观众解释一下，所谓元素分析就是把它烧了，然后就看这里面的各种碳、氢、氧、氮……这些元素的成分比例是吧？
　　杨军： 是的，有机所恰巧老先生在当年建所的时候购买了一个1/10万克称量精度的天平，当年依赖这个天平也是在建所这个方面，做有机分析方面做了很多卓绝的这种工作。
　　袁岚峰： 那是全国最精确的一个天平是吧？
　　杨军： 是的，叫做普雷格尔，1923年诺贝尔获奖得主亲手校正的第191个天平，有了这些有机分析的这种手段，我们才能够实现科学里面的提出问题、分析问题、去解决问题，所以我们的老院士汪猷先生他才说到，一定要是把元素分析去通过，而且这个值要没有明显的偏差以后才能往下去做，我想这就是一种科学研究的态度。
　　袁岚峰： 是，我看到他那边说了一句话，说你用了元素分析之后对的不一定是对的，但是不对的就肯定是不对的。
　　袁岚峰： 有机所后来又做了哪些重大的题目？
　　杨军： 在做完了牛胰岛素蛋白质以后，后来汪猷先生和其他的研究所一起，他们又重新做了核酸，因为核酸也是一个生命物质。
　　后面还有物理有机里面的簇集（音）的超分子相关的问题，还有青蒿素的合成相关的问题，还有很多成果。
　　袁岚峰： 我以前讲过好多次青蒿素。屠呦呦是发现青蒿素这个物质，但是青蒿素的结构的测定和它的合成都是有机所做出来的。
　　把这样一个分子合成出来，肯定也是当时费了很大劲吧？
　　杨军： 我们周维善老先生当年也讲过，很多人都要做的时候都快要放弃了，但周先生说青蒿素做不出来，他就不要退休了，最后还是幸好这个分子还是做出来了。
　　袁岚峰： 杨军老师的学习经历非常有意思，您上大学时候学的是海洋专业，后来为什么会来到有机化学所？为什么来搞化学？
　　【化学，一门创造新物质的科学】
　　杨军： 那个时候就感觉到做有机化学除了研究新方法以外，还可以创造一些新的材料、新的物质，所以就抱着朴素的动机的话，就跑到有机所里来读博士了。
　　袁岚峰： 这是一个相当崇高的目标，因为我们说到化学是一门中心科学，总是说化学是能够创造新物质的，其他都是研究已有的物质。
　　【为什么要做危险的化学科研？】
　　杨军： 我觉得可能作为科研人员来讲，他的科研生涯也是很短暂的。我们也是希望能够通过这种新材料的研发，提升自己的存在感，没有一种新材料研发出来，获得应用以后的话，那种喜悦我觉得可能就像抱到一个新生的小朋友那种感觉也是差不多的。
　　袁岚峰： 读书的时候很多同学都会抱怨化学是个特别难的学科，记都记不住，那么您读书的时候有没有什么学习化学的经验跟大家分享一下？
　　【化学太难？你需要一些小窍门】
　　杨军： 我觉得化学是一个很有趣的学科，所以从初中的时候在家里面有的时候就做一点化学的这种实验。
　　但是在学习的过程中可能还是有一些相对比较枯燥的要去记和背的内容，这个地方我觉得还是有一些小窍门。比方说在化学里面真正决定的是电子的变化，那么如果能够把电子的变化的机理想清楚，对大家学习化学是非常有帮助的。另外一方面是希望大家如果在学习化学的时候多画结构式，然后画出结构式来，画出反应式来以后，画熟练了以后，它的记忆就会更加简单。
　　有的时候看到困难的问题以后，我们再回过头来以后，心态可能会变得更平和一些。
　　袁岚峰： 外行看有机化学这名字，可能他想不到它到底是干嘛的，能不能跟大家解释一下，有机化学所都做了哪些东西？
　　【有机化学有什么用？】
　　杨军： 这个有机的名字的，可能大家理解，千万不要跟有机蔬菜放在一起，我们一般说用英文说就是organic chemistry，按照我们所现在的主要的发展方向和我们对有机化学的理解，有机首先是来做合成的方法学，基于合成的方法学，然后我们再来做新药的创制和材料的研发这两个方向。
　　袁岚峰： 这是制药方面的东西。
　　杨军： 对。因为在医药这个方面，它能够跟人的生命健康然后结合在一起，也是有机化学的一个主要的战场。
　　我们每年有接近100个校友毕业，事实上他们绝大多数都在医药相关的领域。
　　袁岚峰： 经常有人怀疑化学不容易找工作，但是如果说在这个前提下，最容易找工作的就是有机化学的，因为它应用前景真是太广泛了。
　　杨军： 中国医药行业的发展，现在千亿级的这种药企不断的蓬勃涌现，我相信有机化学专业的学生会能够找到好的工作，而且听说他们的待遇的话还会比一般的同样学历的研究生要多个2000块钱左右。
　　袁岚峰： 既然有机化学所其实大部分人是去搞医药的，为什么您选择了推进剂？推进剂跟医药之间有啥关系呢？
　　【推进剂研制推动医药行业发展】
　　杨军： 我的师爷爷丁宏勋老先生他就是做的推进剂，后来传到我的老师邓敏智老师这儿的话，他的推进剂和医药这两个方面都做了一点，因为我是我们老师关门的弟子，所以就沿着推进剂的方向继续往下做了。但是推进剂其实跟医药也有很深的联系，像我刚才提到的硼氢化钠，在我师爷爷当年做火箭燃料的时候，他就发现国内没有硼氢化钠这个原材料，所以他就不得不把硼氢化钠做出来，而且把硼氢化钠的生产问题也解决了。
　　在我师爷爷当年那个时候，他是用硼氢化钠直接加浓硫酸，去做硼烷的，这个方法现在医药行业承受不了。
　　袁岚峰： 听起来很危险。
　　杨军： 是的。所以那个时候就很容易爆炸，所以后来我的老师他们又发展了通过硼氢化钠和三化硼反应这样子，用三化硼乙醚来做硼烷四氢呋喃，硼烷二甲硫醚这样子的材料，所以大概在2000年左右这样子的材料也逐渐推向市场。当时的时候医药公司很多都来找到我的老师，然后向他购买硼烷这样子的产品，后来的话现在上市公司里面还有一个三期临床的抗癌药物也是用的我的老师当年做的硼烷。
　　袁岚峰： 这是很有意思的，硼烷既用在推进剂上面，也用在药上面。
　　杨军： 是的，其实军工这个行业它做的很多的先进的技术和先进的材料，后来都应用到了民用上面。像我们国家在军工里面研究的很多材料，往往是一开始用在了火箭和导弹上，后来就用在了汽车上，慢慢的又用在了医药行业，然后推而广之，最后走入了大家身边。
　　【无毒推进剂让载人航天更安全】
　　袁岚峰： 去年有一个挺大的新闻说我们的长征5号B运载火箭，它的新一代载人飞船的试验船成功地着陆了。听说那个上面就用了您团队的研究成果，你们还为此收到航天集团的感谢信，能向大家介绍一下这项研究吗？
　　杨军： 是的，我们团队大概历经14年，研发了一种无毒的硝酸羟胺基的液体推进剂，这个推进剂它看起来就跟我们喝的矿泉水外形是比较一样的，但是它配方里面有盐有醇，就像酒这样子的醇类的物质，有水，把它混合在一起以后，它形成的这种推进剂比传统的肼推进剂相比它是无毒的。另外一个，密度要更大一些，冰点也要更低一些。所以相对来讲用在飞船上比较先进，也是飞船返回的一个关键技术。
　　袁岚峰： 以前我们好长时间用就像偏二甲肼这种，这样的推进剂它的问题就是它是带剧毒的，所以你把它用在载人飞船这很危险，但是您的推进剂就叫做硝酸羟胺是吧？它里面能量密度也很高，而且它没有毒了，这个是一个最大的进步。
　　袁岚峰： 您提到您的这些研究的材料，有好多都是具有一定的危险性，有的是有毒，比方说三氧化氮、偏二甲肼这种，有的是容易爆炸，无论是毒性还是易燃易爆性，有没有什么定量的指标来评估它们？危险程度到什么程度呢？
　　杨军： 像毒性的时候，我们往往选一个标尺，比方说氢氰酸大家都知道它是剧毒的，但是真正在合成火箭推进剂的时候，戊硼烷这样子的材料它的毒性可能比氢氰酸的毒性要高个10倍到100倍左右。在爆炸这个方面，如果我们把TNT当做一个标杆的话，我们做的很多材料比TNT要敏感很多，但它仍然是可以能够去做工业化的应用和生产的，所以我们往往用机械感度这样一个指标，然后来评价它的易爆，最易爆的材料的话，也就是氢氰的，我们这一个纸杯放下来的可能冲击的话，就能够引发它的爆炸，那是非常敏感的。
　　【航天推进剂研发中的风险】
　　袁岚峰： 在推进剂的研究当中，历史上发生过哪些惨痛的故事？
　　杨军： 因为火箭推进剂的研发的话也是有一定的风险性的，所以国内国外的话都有过一些惨痛的事故。在美国的话挑战者号航天飞机发射的时候，整个七位航天员都在大家的电视直播的时候身亡，这个事情我小的时候也在看，我觉得冲击是很明确的，冲击也是觉得心里面很不舒服的。
　　在我们国家研发的过程中的话，也有很多这种交过的学费，像当年有机所也有员工在援建航天的时候，他们在用到氮气的时候，车间里面有两位同志就牺牲在里面了。
　　我的老师当年给长征五号去做液氧煤油点火剂的时候，化学点火器遇到一点点的空气就会发生燃烧。我记得我老师当年在这个实验室里合成的时候，当他遇到火苗的时候都来不及做其他的准备，用手一把就捂上去了，然后就把火灭掉了。有的时候手会烫到，但事实上他非常紧急的这种抢救工作，其实这个化学反应还是能够平稳的做下来的。在生产过程中有的时候也会遇到那种几米高的火焰，我的老师他就张开防火毯，连人带防火毯就压到几十公斤的反应釜上去，所以给我留下了很深刻的印象。
　　大家可能总是容易把化学跟危险性两个放在一起。其实我理解危险性有的时候就像狮子、老虎一样，如果你把它关在动物园里面，它就是安全的，也有的时候真的是有危险，那就是大家的知识体系还没有认识到。所以在这种情况下，我觉得随着化学的不断发展以后，我们解决了很多的这种问题，认识不断加深以后，原来很多的危险的东西现在已经变得不那么危险了。
　　【在危险中推动科研进步】
　　杨军： 比如说我们刚才说的戊硼烷那样子的原材料，在我师爷爷那个年代也就是60年代的时候，那个时候我们国家为了做高能燃料，那就跟着美国的方案去做了这些材料，那个时候要设备没设备，要原料没原料，好多时候都得自己去做，举个不恰当的例子就像要做面条，可能连面粉都没有，连小麦都没有，得从种麦子开始。
　　这样就中间有很多的技术方面的不确定性，所以那个时候真的是有毒，那个时候叫＂大炸三六九小炸天天有＂，但是现在我们通过无水无氧反应不断地认识，现在我们也知道药厂里面也经常做大量的无水无氧反应，所以隔绝了空气以后，这样的反应现在看起来就已经是很安全了。
　　现在很多的反应都是人机分离的了，包括炸药的生产、推进剂的生产，都能够做到人机分离以后，出了问题以后，最多也只是影响到了设备，这样子的话对于操作人员来讲就安全好多了。
　　袁岚峰： 这倒让我想起一笑话，说化学专业研究生说，其实人工智能做实验做得比我们更好，但是我们的导师之所以还在用我们是因为我们比较便宜。
　　【人工智能在科研中扮演什么角色】
　　杨军： 那肯定不是样子的。人工智能往往是用来去做很多大量的这种重复的实验，然后通过机械操作把这个实验去做了，再用AI对它进行分析。但事实上我觉得有了人工智能以后，只是把研究生从机械的重复里面解放出来，反而我觉得对于导师来讲，他更需要有研究生了，因为他要安排更多的实验，然后去思考更多的问题。
　　袁岚峰： 非常高兴见到杨老师，其实说到推进剂，这个对我是个特别亲切的话题，科大1958年建校的时候，其实那时候所有的专业都是跟两弹一星有关的。导弹和火箭都需要用到推进剂。那么我们来请问杨军老师，导弹和火箭的推进剂有什么不一样的地方？
　　【导弹和火箭推进剂有什么区别？】
　　杨军： 是这样的，导弹因为有作战的需求的，所以一般导弹里边都填装的是固体推进剂，这样子的话它在作战的时候不需要进行加注，可以直接打出去。
　　而这个火箭因为它要追求把更多的载荷送到太空去，所以它要使用能量最高的液体推进剂。比如说液氢液氧和液氧煤油这样子的方案，所以宇航里面用的更多的是液体推进剂，而国防上用的更多的是固体推进剂。
　　【推进剂发展的三个阶段】
　　袁岚峰： 那么推进剂的发展历程是怎么样？我们现在发展到一个什么样的程度了？
　　杨军： 我们如果把推进剂分为三代的话，第一代的推进剂就是液氧煤油，也就是德国用V2去轰炸伦敦的那种推进剂。
　　它的能量相对来讲比较差一些，它的性能也比较差，仅仅能够满足把导弹扔过去，大概是这样子的。
　　所以后来就是有毒推进剂，比方说我们叫三肼推进剂，无水肼、一甲基肼和偏二甲肼，这些材料它的能量虽然不太高，但是它的燃烧性能非常好，也就是袁老师你刚才提到的高速化学反应，它的反应速度是非常高的。
　　袁岚峰： 原来是表现在这个地方。
　　杨军： 是的，所以我们把能量比较差，但是性能很好的推进剂说成第二代推进剂。
　　袁岚峰： 燃烧速度是希望它烧得快还是烧得慢？
　　杨军： 一般来说我们是希望它的速度跟它的具体的任务要求能够匹配起来。像如果我们要把一个导弹要打得起，要让它快速地弹起来的话，我们就希望它快一点，如果要是想让导弹在空中慢慢飞的话，就希望它的速度慢一点。所以整体来讲，我们希望它的燃烧是可控的。
　　袁岚峰： 但是可控这可就难了。
　　杨军： 是的是的。
　　袁岚峰： 尤其是它还是一个固体装药，它又不能动，那就更难了。
　　杨军： 是的。现在大概化学推进剂已经走到第三代了。在能量很高的同时，它的性能还存在一些问题，比如说它的贮存稳定性就比较有问题，只能在发射以前，进行临时加注，再把它打出去。另外一个液氢液氧和液氧煤油它碰在一起也没有办法燃烧，所以在这个时候我们就只能说用一些点火器这些方式，我们可以通过一些化学的手段对它进行解决。
　　固体推进剂，它跟我们老祖宗那个时候黑火药的配方很相似，里面有一硝二黄三木炭，像硝石这样子的氧化剂，也有木炭这样子的燃烧剂，也有像硫磺这样子用的粘合剂，这样子把它粘在一起的话，就变成了我们的固体推进剂。
　　袁岚峰： 那这个意义上它跟现在的固体推进剂基本原理还都是非常的相似。
　　杨军： 对的，我们祖先是非常聪明的。而液体推进剂它跟汽车的汽油也比较相似，因为太空中没有氧，所以它是带着液氧，带着煤油或者是液氢，甚至是甲烷这样子的燃料上天的组合的一种形成的推进器。
　　袁岚峰： 请问我们国家现在的推进剂，我们可以称它在国际上处于一个什么样的档次呢？算是第一集团还是第二集团还是第三集团？
　　杨军： 从公开的文献报道来讲，我们国家的推进剂和国外的推进剂大致水平是相当的，在某些领域里面可能还有点落后，但是在部分领域里面也已经已经走到了前面，大概是这样子的。
　　袁岚峰： 也就是说我们推进剂所处的是国际上相对水平比发动机要高一点是吧？
　　杨军： 可以说公开的成果来看的话，我们的推进剂是这样子的。
　　在上一次国庆阅兵的时候，我们国家展示了大量的这种新的武器型号，其实也可能随着我们国家的国力不断增强，这样相关信息的披露会越来越透明，大家拭目以待。
　　我希望更多的同学们能够学好化学，在未来的话，能够到国防的领域，民用航天的领域，甚至是商业航天的领域，把这个行业推到一个更高的巅峰去。
　　袁岚峰： 感谢，今天我们非常感谢杨军老师，也期待未来有更多年轻人加入我们的科学事业，为我们冲出地球，探索宇宙的梦想，做出更大的贡献！
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　　背景简介：   袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，＂科技袁人＂节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选＂典赞·2018科普中国＂十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（   https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8   ）。