火箭要燒煤？科學家説：是的，不過不是精選煤，而是煤煉油 | 科技袁人_風聞

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　　今天我們要聊一個硬核的話題，它不僅關係到我們國家的安全，也關係到人類探索星辰大海的征途。它就是導彈和火箭的動力之源——推進劑。

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　　本視頻發佈於2021年8月27****日，播放量已達7萬

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　　**袁嵐峯：**大家好，我是科技袁人袁嵐峯。

　　今天我們要聊一個硬核的話題，它不僅關係到我們國家的安全，也關係到人類探索星辰大海的征途。它就是導彈和火箭的動力之源——推進劑。

　　下面讓我們歡迎中國科學院上海有機化學研究所的研究員楊軍老師！

　　楊軍：謝謝袁老師。

　　**袁嵐峯：**中國科學院上海有機化學研究所，對於我們化學專業來説，這是一個非常鼎鼎大名業界享有盛名的這麼一個機構，如果要説到這個所的研究成果，我想即使是非常外行的人都會聽説過一個就是人工合成牛胰島素。

　　【有機所如何實現人工合成牛胰島素】

　　**袁嵐峯：**它是人類合成第一個蛋白質是吧？

　　楊軍：是人類做的第一個蛋白質的分子。其實有機化學這個名字裏邊就往往包含着一些神秘的東西，最早的時候大家經常説有機物質就是那些上帝能做得出來，但是人做不出來的。

　　**袁嵐峯：**活力論，有機跟無機之間是有截然的分界的。

　　楊軍：如果真的理論是這個樣子的話，那就不應該存在有機所了。所以當時在有機物的合成已經成為現實以後，大家還覺得蛋白質這樣子的生命裏邊的這種物質能不能通過人的手進行合成，合成出來以後它還有沒有活性，這些都是有很多的問題，所以當年在60年代的時候，我覺得我們國家的科學家幾個單位，包括我們當年有很多老的學部委員，他們帶隊去做了大量的這種工作，那個時候我們經常聽説他們合成的條件比較差，用二氯甲烷、用乙醚對人的傷害還是比較嚴重的。

　　當年的時候也沒有這麼多先進的科學儀器，像質譜、色譜，包括紅外，當年其實最主要依賴的還是元素分析，所以那個時候我們汪猷老先生就説元素分析一定要通過，不通過的話就不能冒險去走下一步。

　　**袁嵐峯：**我來向觀眾解釋一下，所謂元素分析就是把它燒了，然後就看這裏面的各種碳、氫、氧、氮……這些元素的成分比例是吧？

　　楊軍：是的，有機所恰巧老先生在當年建所的時候購買了一個1/10萬克稱量精度的天平，當年依賴這個天平也是在建所這個方面，做有機分析方面做了很多卓絕的這種工作。

　　**袁嵐峯：**那是全國最精確的一個天平是吧？

　　楊軍：是的，叫做普雷格爾，1923年諾貝爾獲獎得主親手校正的第191個天平，有了這些有機分析的這種手段，我們才能夠實現科學裏面的提出問題、分析問題、去解決問題，所以我們的老院士汪猷先生他才説到，一定要是把元素分析去通過，而且這個值要沒有明顯的偏差以後才能往下去做，我想這就是一種科學研究的態度。

　　**袁嵐峯：**是，我看到他那邊説了一句話，説你用了元素分析之後對的不一定是對的，但是不對的就肯定是不對的。

　　**袁嵐峯：**有機所後來又做了哪些重大的題目？

　　楊軍：在做完了牛胰島素蛋白質以後，後來汪猷先生和其他的研究所一起，他們又重新做了核酸，因為核酸也是一個生命物質。

　　後面還有物理有機裏面的簇集（音）的超分子相關的問題，還有青蒿素的合成相關的問題，還有很多成果。

　　**袁嵐峯：**我以前講過好多次青蒿素。屠呦呦是發現青蒿素這個物質，但是青蒿素的結構的測定和它的合成都是有機所做出來的。

　　把這樣一個分子合成出來，肯定也是當時費了很大勁吧？

　　楊軍：我們周維善老先生當年也講過，很多人都要做的時候都快要放棄了，但周先生説青蒿素做不出來，他就不要退休了，最後還是幸好這個分子還是做出來了。

　　**袁嵐峯：**楊軍老師的學習經歷非常有意思，您上大學時候學的是海洋專業，後來為什麼會來到有機化學所？為什麼來搞化學？

　　【化學，一門創造新物質的科學】

　　楊軍：那個時候就感覺到做有機化學除了研究新方法以外，還可以創造一些新的材料、新的物質，所以就抱着樸素的動機的話，就跑到有機所裏來讀博士了。

　　**袁嵐峯：**這是一個相當崇高的目標，因為我們説到化學是一門中心科學，總是説化學是能夠創造新物質的，其他都是研究已有的物質。

　　【為什麼要做危險的化學科研？】

　　楊軍：我覺得可能作為科研人員來講，他的科研生涯也是很短暫的。我們也是希望能夠通過這種新材料的研發，提升自己的存在感，沒有一種新材料研發出來，獲得應用以後的話，那種喜悦我覺得可能就像抱到一個新生的小朋友那種感覺也是差不多的。

　　**袁嵐峯：**讀書的時候很多同學都會抱怨化學是個特別難的學科，記都記不住，那麼您讀書的時候有沒有什麼學習化學的經驗跟大家分享一下？

　　【化學太難？你需要一些小竅門】

　　楊軍：我覺得化學是一個很有趣的學科，所以從初中的時候在家裏面有的時候就做一點化學的這種實驗。

　　但是在學習的過程中可能還是有一些相對比較枯燥的要去記和背的內容，這個地方我覺得還是有一些小竅門。比方説在化學裏面真正決定的是電子的變化，那麼如果能夠把電子的變化的機理想清楚，對大家學習化學是非常有幫助的。另外一方面是希望大家如果在學習化學的時候多畫結構式，然後畫出結構式來，畫出反應式來以後，畫熟練了以後，它的記憶就會更加簡單。

　　有的時候看到困難的問題以後，我們再回過頭來以後，心態可能會變得更平和一些。

　　**袁嵐峯：**外行看有機化學這名字，可能他想不到它到底是幹嘛的，能不能跟大家解釋一下，有機化學所都做了哪些東西？

　　【有機化學有什麼用？】

　　楊軍：這個有機的名字的，可能大家理解，千萬不要跟有機蔬菜放在一起，我們一般説用英文説就是organic chemistry，按照我們所現在的主要的發展方向和我們對有機化學的理解，有機首先是來做合成的方法學，基於合成的方法學，然後我們再來做新藥的創制和材料的研發這兩個方向。

　　**袁嵐峯：**這是製藥方面的東西。

　　楊軍：對。因為在醫藥這個方面，它能夠跟人的生命健康然後結合在一起，也是有機化學的一個主要的戰場。

　　我們每年有接近100個校友畢業，事實上他們絕大多數都在醫藥相關的領域。

　　**袁嵐峯：**經常有人懷疑化學不容易找工作，但是如果説在這個前提下，最容易找工作的就是有機化學的，因為它應用前景真是太廣泛了。

　　楊軍：中國醫藥行業的發展，現在千億級的這種藥企不斷的蓬勃湧現，我相信有機化學專業的學生會能夠找到好的工作，而且聽説他們的待遇的話還會比一般的同樣學歷的研究生要多個2000塊錢左右。

　　**袁嵐峯：**既然有機化學所其實大部分人是去搞醫藥的，為什麼您選擇了推進劑？推進劑跟醫藥之間有啥關係呢？

　　【推進劑研製推動醫藥行業發展】

　　楊軍：我的師爺爺丁宏勳老先生他就是做的推進劑，後來傳到我的老師鄧敏智老師這兒的話，他的推進劑和醫藥這兩個方面都做了一點，因為我是我們老師關門的弟子，所以就沿着推進劑的方向繼續往下做了。但是推進劑其實跟醫藥也有很深的聯繫，像我剛才提到的硼氫化鈉，在我師爺爺當年做火箭燃料的時候，他就發現國內沒有硼氫化鈉這個原材料，所以他就不得不把硼氫化鈉做出來，而且把硼氫化鈉的生產問題也解決了。

　　在我師爺爺當年那個時候，他是用硼氫化鈉直接加濃硫酸，去做硼烷的，這個方法現在醫藥行業承受不了。

　　**袁嵐峯：**聽起來很危險。

　　楊軍：是的。所以那個時候就很容易爆炸，所以後來我的老師他們又發展了通過硼氫化鈉和三化硼反應這樣子，用三化硼乙醚來做硼烷四氫呋喃，硼烷二甲硫醚這樣子的材料，所以大概在2000年左右這樣子的材料也逐漸推向市場。當時的時候醫藥公司很多都來找到我的老師，然後向他購買硼烷這樣子的產品，後來的話現在上市公司裏面還有一個三期臨牀的抗癌藥物也是用的我的老師當年做的硼烷。

　　**袁嵐峯：**這是很有意思的，硼烷既用在推進劑上面，也用在藥上面。

　　楊軍：是的，其實軍工這個行業它做的很多的先進的技術和先進的材料，後來都應用到了民用上面。像我們國家在軍工裏面研究的很多材料，往往是一開始用在了火箭和導彈上，後來就用在了汽車上，慢慢的又用在了醫藥行業，然後推而廣之，最後走入了大家身邊。

　　【無毒推進劑讓載人航天更安全】

　　**袁嵐峯：**去年有一個挺大的新聞説我們的長征5號B運載火箭，它的新一代載人飛船的試驗船成功地着陸了。聽説那個上面就用了您團隊的研究成果，你們還為此收到航天集團的感謝信，能向大家介紹一下這項研究嗎？

　　楊軍：是的，我們團隊大概歷經14年，研發了一種無毒的硝酸羥胺基的液體推進劑，這個推進劑它看起來就跟我們喝的礦泉水外形是比較一樣的，但是它配方里面有鹽有醇，就像酒這樣子的醇類的物質，有水，把它混合在一起以後，它形成的這種推進劑比傳統的肼推進劑相比它是無毒的。另外一個，密度要更大一些，冰點也要更低一些。所以相對來講用在飛船上比較先進，也是飛船返回的一個關鍵技術。

　　**袁嵐峯：**以前我們好長時間用就像偏二甲肼這種，這樣的推進劑它的問題就是它是帶劇毒的，所以你把它用在載人飛船這很危險，但是您的推進劑就叫做硝酸羥胺是吧？它裏面能量密度也很高，而且它沒有毒了，這個是一個最大的進步。

　　**袁嵐峯：**您提到您的這些研究的材料，有好多都是具有一定的危險性，有的是有毒，比方説三氧化氮、偏二甲肼這種，有的是容易爆炸，無論是毒性還是易燃易爆性，有沒有什麼定量的指標來評估它們？危險程度到什麼程度呢？

　　楊軍：像毒性的時候，我們往往選一個標尺，比方説氫氰酸大家都知道它是劇毒的，但是真正在合成火箭推進劑的時候，戊硼烷這樣子的材料它的毒性可能比氫氰酸的毒性要高個10倍到100倍左右。在爆炸這個方面，如果我們把TNT當做一個標杆的話，我們做的很多材料比TNT要敏感很多，但它仍然是可以能夠去做工業化的應用和生產的，所以我們往往用機械感度這樣一個指標，然後來評價它的易爆，最易爆的材料的話，也就是氫氰的，我們這一個紙杯放下來的可能衝擊的話，就能夠引發它的爆炸，那是非常敏感的。

　　【航天推進劑研發中的風險】

　　**袁嵐峯：**在推進劑的研究當中，歷史上發生過哪些慘痛的故事？

　　楊軍：因為火箭推進劑的研發的話也是有一定的風險性的，所以國內國外的話都有過一些慘痛的事故。在美國的話挑戰者號航天飛機發射的時候，整個七位航天員都在大家的電視直播的時候身亡，這個事情我小的時候也在看，我覺得衝擊是很明確的，衝擊也是覺得心裏面很不舒服的。

　　在我們國家研發的過程中的話，也有很多這種交過的學費，像當年有機所也有員工在援建航天的時候，他們在用到氮氣的時候，車間裏面有兩位同志就犧牲在裏面了。

　　我的老師當年給長征五號去做液氧煤油點火劑的時候，化學點火器遇到一點點的空氣就會發生燃燒。我記得我老師當年在這個實驗室裏合成的時候，當他遇到火苗的時候都來不及做其他的準備，用手一把就捂上去了，然後就把火滅掉了。有的時候手會燙到，但事實上他非常緊急的這種搶救工作，其實這個化學反應還是能夠平穩的做下來的。在生產過程中有的時候也會遇到那種幾米高的火焰，我的老師他就張開防火毯，連人帶防火毯就壓到幾十公斤的反應釜上去，所以給我留下了很深刻的印象。

　　大家可能總是容易把化學跟危險性兩個放在一起。其實我理解危險性有的時候就像獅子、老虎一樣，如果你把它關在動物園裏面，它就是安全的，也有的時候真的是有危險，那就是大家的知識體系還沒有認識到。所以在這種情況下，我覺得隨着化學的不斷發展以後，我們解決了很多的這種問題，認識不斷加深以後，原來很多的危險的東西現在已經變得不那麼危險了。

　　【在危險中推動科研進步】

　　楊軍：比如説我們剛才説的戊硼烷那樣子的原材料，在我師爺爺那個年代也就是60年代的時候，那個時候我們國家為了做高能燃料，那就跟着美國的方案去做了這些材料，那個時候要設備沒設備，要原料沒原料，好多時候都得自己去做，舉個不恰當的例子就像要做麪條，可能連麪粉都沒有，連小麥都沒有，得從種麥子開始。

　　這樣就中間有很多的技術方面的不確定性，所以那個時候真的是有毒，那個時候叫“大炸三六九小炸天天有”，但是現在我們通過無水無氧反應不斷地認識，現在我們也知道藥廠裏面也經常做大量的無水無氧反應，所以隔絕了空氣以後，這樣的反應現在看起來就已經是很安全了。

　　現在很多的反應都是人機分離的了，包括炸藥的生產、推進劑的生產，都能夠做到人機分離以後，出了問題以後，最多也只是影響到了設備，這樣子的話對於操作人員來講就安全好多了。

　　**袁嵐峯：**這倒讓我想起一笑話，説化學專業研究生説，其實人工智能做實驗做得比我們更好，但是我們的導師之所以還在用我們是因為我們比較便宜。

　　【人工智能在科研中扮演什麼角色】

　　楊軍：那肯定不是樣子的。人工智能往往是用來去做很多大量的這種重複的實驗，然後通過機械操作把這個實驗去做了，再用AI對它進行分析。但事實上我覺得有了人工智能以後，只是把研究生從機械的重複裏面解放出來，反而我覺得對於導師來講，他更需要有研究生了，因為他要安排更多的實驗，然後去思考更多的問題。

　　**袁嵐峯：**非常高興見到楊老師，其實説到推進劑，這個對我是個特別親切的話題，科大1958年建校的時候，其實那時候所有的專業都是跟兩彈一星有關的。導彈和火箭都需要用到推進劑。那麼我們來請問楊軍老師，導彈和火箭的推進劑有什麼不一樣的地方？

　　【導彈和火箭推進劑有什麼區別？】

　　楊軍：是這樣的，導彈因為有作戰的需求的，所以一般導彈裏邊都填裝的是固體推進劑，這樣子的話它在作戰的時候不需要進行加註，可以直接打出去。

　　而這個火箭因為它要追求把更多的載荷送到太空去，所以它要使用能量最高的液體推進劑。比如説液氫液氧和液氧煤油這樣子的方案，所以宇航裏面用的更多的是液體推進劑，而國防上用的更多的是固體推進劑。

　　【推進劑發展的三個階段】

　　**袁嵐峯：**那麼推進劑的發展歷程是怎麼樣？我們現在發展到一個什麼樣的程度了？

　　楊軍：我們如果把推進劑分為三代的話，第一代的推進劑就是液氧煤油，也就是德國用V2去轟炸倫敦的那種推進劑。

　　它的能量相對來講比較差一些，它的性能也比較差，僅僅能夠滿足把導彈扔過去，大概是這樣子的。

　　所以後來就是有毒推進劑，比方説我們叫三肼推進劑，無水肼、一甲基肼和偏二甲肼，這些材料它的能量雖然不太高，但是它的燃燒性能非常好，也就是袁老師你剛才提到的高速化學反應，它的反應速度是非常高的。

　　**袁嵐峯：**原來是表現在這個地方。

　　楊軍：是的，所以我們把能量比較差，但是性能很好的推進劑説成第二代推進劑。

　　**袁嵐峯：**燃燒速度是希望它燒得快還是燒得慢？

　　楊軍：一般來説我們是希望它的速度跟它的具體的任務要求能夠匹配起來。像如果我們要把一個導彈要打得起，要讓它快速地彈起來的話，我們就希望它快一點，如果要是想讓導彈在空中慢慢飛的話，就希望它的速度慢一點。所以整體來講，我們希望它的燃燒是可控的。

　　**袁嵐峯：**但是可控這可就難了。

　　楊軍：是的是的。

　　**袁嵐峯：**尤其是它還是一個固體裝藥，它又不能動，那就更難了。

　　楊軍：是的。現在大概化學推進劑已經走到第三代了。在能量很高的同時，它的性能還存在一些問題，比如説它的貯存穩定性就比較有問題，只能在發射以前，進行臨時加註，再把它打出去。另外一個液氫液氧和液氧煤油它碰在一起也沒有辦法燃燒，所以在這個時候我們就只能説用一些點火器這些方式，我們可以通過一些化學的手段對它進行解決。

　　固體推進劑，它跟我們老祖宗那個時候黑火藥的配方很相似，裏面有一硝二黃三木炭，像硝石這樣子的氧化劑，也有木炭這樣子的燃燒劑，也有像硫磺這樣子用的粘合劑，這樣子把它粘在一起的話，就變成了我們的固體推進劑。

　　**袁嵐峯：**那這個意義上它跟現在的固體推進劑基本原理還都是非常的相似。

　　楊軍：對的，我們祖先是非常聰明的。而液體推進劑它跟汽車的汽油也比較相似，因為太空中沒有氧，所以它是帶着液氧，帶着煤油或者是液氫，甚至是甲烷這樣子的燃料上天的組合的一種形成的推進器。

　　**袁嵐峯：**請問我們國家現在的推進劑，我們可以稱它在國際上處於一個什麼樣的檔次呢？算是第一集團還是第二集團還是第三集團？

　　楊軍：從公開的文獻報道來講，我們國家的推進劑和國外的推進劑大致水平是相當的，在某些領域裏面可能還有點落後，但是在部分領域裏面也已經已經走到了前面，大概是這樣子的。

　　**袁嵐峯：**也就是説我們推進劑所處的是國際上相對水平比發動機要高一點是吧？

　　楊軍：可以説公開的成果來看的話，我們的推進劑是這樣子的。

　　在上一次國慶閲兵的時候，我們國家展示了大量的這種新的武器型號，其實也可能隨着我們國家的國力不斷增強，這樣相關信息的披露會越來越透明，大家拭目以待。

　　我希望更多的同學們能夠學好化學，在未來的話，能夠到國防的領域，民用航天的領域，甚至是商業航天的領域，把這個行業推到一個更高的巔峯去。

　　**袁嵐峯：**感謝，今天我們非常感謝楊軍老師，也期待未來有更多年輕人加入我們的科學事業，為我們衝出地球，探索宇宙的夢想，做出更大的貢獻！