航空航天背景下的化工原理課堂教學(xué)

高龍成

摘要：通過對化工原理課堂教學(xué)內(nèi)容與方法的改革與優(yōu)化，融入航空航天特色，提升學(xué)生的專業(yè)興趣，讓學(xué)生充分了解化學(xué)工業(yè)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景，培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，以適應(yīng)社會發(fā)展和航空航天技術(shù)進(jìn)步的需要，更好地為航空航天事業(yè)服務(wù)。

關(guān)鍵詞：化工原理；航空航天；教學(xué)方法

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）49-0223-02

一、引言

化工原理是化工、環(huán)境、生物、材料等專業(yè)的必修課程，是從基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課的“過渡橋梁”?；ぴ碇懈拍疃唷⒐綗┈?、設(shè)備多樣和實(shí)踐性強(qiáng)，使得大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感覺內(nèi)容枯燥，晦澀難懂。同時(shí)，在航空航天行業(yè)的大背景下，如果學(xué)生體會不到化學(xué)工程在航空航天領(lǐng)域的重要性，就會難以培養(yǎng)學(xué)生的興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。因此，增強(qiáng)化工原理課堂教學(xué)的生動性，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，尤其是在教學(xué)過程中引入航空航天領(lǐng)域的案例，無疑可以增強(qiáng)教師和學(xué)生的交流與互動，教學(xué)由學(xué)生被動“受灌輸”到教師主動“釋疑”，不僅可以調(diào)節(jié)課堂氛圍，寓教于樂，還可以加深學(xué)生對原理的深刻理解，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

二、從飛機(jī)的設(shè)計(jì)體會流體流動的重要性

流體流動是化工原理中非常重要的一個(gè)章節(jié)，在化學(xué)工業(yè)里面應(yīng)用非常廣泛，而在航空航天領(lǐng)域方面也是非常常見的。在這一章中，流體的機(jī)械能衡算式是貫穿整個(gè)章節(jié)的主線，從而衍生出很多重要的公式和應(yīng)用。

其中一個(gè)非常典型的知識點(diǎn)是皮托管（Pitot tube），航空界稱之為“空速管”。一般安裝在機(jī)身對氣流影響較少的區(qū)域，如機(jī)頭正前方、垂尾或翼尖的前方。通過測量氣流滯止壓力與氣流靜壓差來計(jì)算速度，是飛機(jī)上極其重要的元件，測速的準(zhǔn)確性和可靠性直接決定了飛行的安全性。1996年2月6日，土耳其伯根航空301號航的757大型客機(jī)于多米尼加共和國首都圣多明哥起飛后5分鐘，飛機(jī)“失速”墜海，機(jī)上189人無一生還。后來調(diào)查得出空難是由于飛機(jī)駕駛艙下方的空速管被堵塞引起的。[1]

為什么因?yàn)橐粋€(gè)小小的空速管會引起如此大的事故？根據(jù)伯努利方程進(jìn)行推導(dǎo)，得出飛行速度：

u=C

其中R是沖壓頭和靜壓頭之差，ρ'是指示液密度，ρ是空氣密度，C是系數(shù)。從公式中可以看出，如果空速管堵塞，使得R值不能真正反映沖壓頭和靜壓頭之差，得出的速度值與實(shí)際速度產(chǎn)生很大的偏差，導(dǎo)致機(jī)組人員采取了錯(cuò)誤操作，從而引起飛機(jī)失速。

結(jié)合實(shí)際案例，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用流體的伯努力方程，結(jié)合空速管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析和討論空速管靜壓管和總壓管的流動特點(diǎn)，使學(xué)生理解并掌握伯努力方程的應(yīng)用及空速管的測速方法。

三、由宇航服理解傳熱機(jī)理及應(yīng)用

人類進(jìn)入外層空間，特別是進(jìn)行艙外活動，宇航服必不可少的，它被稱為太空生命的“保護(hù)神”。宇航服造價(jià)超過了所有的奢侈品牌服裝，是紡織工業(yè)和服裝工業(yè)高科技、高技術(shù)的象征。1983年4月，美國宇航員在出艙活動時(shí)所穿的“臍帶式宇航服”，造價(jià)210萬美元；俄羅斯“和平”號空間站宇航員的宇航服造價(jià)300萬美元；而美國宇航員不拴繩索在太空行走時(shí)所穿的背包式宇航服更是造價(jià)高達(dá)750萬美元。宇航服除了防止太陽輻射和宇宙射線的侵害，保護(hù)生命，通風(fēng)換氣，提供氧氣，防止外物撞擊等功能外，御寒防熱是其中另一至關(guān)重要的功能。以月亮來說，面對太陽時(shí)，溫度高達(dá)120攝氏度，背對太陽時(shí)溫度低至零下140攝氏度。[2]在宇航服的設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮各方面的因素。

單就御寒防熱功能來說，根據(jù)單層平壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo)的傅里葉定律：

q=λ

在熱流密度、溫度差保持恒定的情況下，宇航服的厚度δ與采用材料的熱傳導(dǎo)率λ成正比，也就是說，選用的材料熱導(dǎo)率越低，宇航服的厚度也越低。因此在設(shè)計(jì)宇航服的過程中，盡可能的選用低熱導(dǎo)率的材料，減輕宇航服的重量，提高宇航服的舒適性。將行業(yè)里的最高科學(xué)技術(shù)與課堂教學(xué)結(jié)合起來，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，理解知識點(diǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

四、由“地溝油”變身航空燃油的案例理解精餾操作及意義

我國餐飲業(yè)發(fā)達(dá)，有大量廢棄油脂資源，大家對“地溝油”回流餐桌深惡痛絕。然而，“地溝油”向航空燃油的華麗轉(zhuǎn)身，是學(xué)生們非常感興趣的話題。與石化柴油相比，“地溝油”作為航空燃油具有含硫量低、低污染、閃點(diǎn)高以及十六烷值高燃燒性能好等優(yōu)點(diǎn)。如何將“臭名昭著”的“地溝油”轉(zhuǎn)變?yōu)楹教烊加?，這里面究竟包含了怎樣的化工過程？實(shí)際上，從“地溝油”向航空油的轉(zhuǎn)變道路不是一馬平川的，需要很多的“單元操作”。而蒸餾操作在整個(gè)環(huán)節(jié)中起著非常關(guān)鍵的作用。[3]

收集到的地溝油經(jīng)過初步處理，得到較為清澈的油脂，但雜質(zhì)、異味沒有去除，需要加入甘油發(fā)生酯化反應(yīng)，得到比較純凈的甘油酯，方便進(jìn)行提煉，得到較為純凈的甘油酯。之后在催化劑的作用下，加入甲醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)變?yōu)榧柞?，降低產(chǎn)物的沸點(diǎn)。最后采用蒸餾法得到合格的生物柴油。需要指出的是，生物柴油還不能作為航空燃油。從生物柴油變?yōu)楹娇杖加?，還需要進(jìn)行催化加氫、裂化處理，以便得到不含氧的、以碳?xì)涑煞譃橹鞯暮娇丈锶剂稀?/p>

從這個(gè)案例中可以看出，蒸餾過程能夠?qū)崿F(xiàn)提純產(chǎn)品，滿足更高的要求，提升附加值，變廢為寶的作用。

五、從火星深空探測認(rèn)識氣體吸收

低成本火星登陸需要利用火星上的資源，以降低飛船的負(fù)載?；鹦巧洗髿?5%的是CO2，通過Sabatier反應(yīng)將CO2轉(zhuǎn)變成CH4作為火箭推進(jìn)劑。而對于CO2的捕捉，不需要通過加壓泵來實(shí)現(xiàn)，利用吸附劑床就可以實(shí)現(xiàn)。利用活性炭、或者沸石，在夜晚的低溫下（-90攝氏度），可以吸收自身重量20%的CO2；到達(dá)白天后，把吸附劑加熱到10攝氏度左右，即可溢出CO2。用這種方法可以得到純凈的、壓強(qiáng)很高的CO2氣體。[4]

通過對這個(gè)案例的講解，讓學(xué)生了解吸收的重要性，以及溫度對吸收過程的影響。同時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生了解固體吸附劑的特點(diǎn)。

六、由空間站水循環(huán)系統(tǒng)認(rèn)識膜分離

為了能夠更長時(shí)間的在太空駐留，就必須解決飲用水的問題。在水循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)之前，空間站需要定期運(yùn)送飲用水，費(fèi)用高昂（大概12萬元/公斤）。2008年底，國際空間站安裝水循環(huán)系統(tǒng)并進(jìn)行測試，將尿液加工成清潔飲用水。這套價(jià)值2.5億美元的水循環(huán)系統(tǒng)是太空探索中的一個(gè)重要里程碑。在此方面，我國航天科學(xué)工作者也開始這方面的研究，取得了卓越成效的進(jìn)展，為下一步的空間站建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

水循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是具有長壽命的聚合物膜材料。膜材料需要解決防腐蝕問題、延緩尿沉淀物、膜的污染、堵塞速度、能耗控制等問題。這些問題正是膜分離方面所面臨的主要問題，通過這個(gè)案例的介紹和講解，使學(xué)生對空間站的建設(shè)情況有剛性的認(rèn)識，了解膜分離在航空航天領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

總之，航空航天是一個(gè)國家工業(yè)綜合水平的集中體現(xiàn)，其中蘊(yùn)含著化學(xué)工業(yè)的方方面面。在課堂上結(jié)合航空航天領(lǐng)域的案例，可以提升學(xué)生的興趣，認(rèn)識到化工基礎(chǔ)在航空航天領(lǐng)域的重要地位，活躍課堂氣氛，引導(dǎo)學(xué)生樹立服務(wù)航空航天的信念。

參考文獻(xiàn)：

[1]伯根航空301號班機(jī)空難，百度百科.

[2]曾斌平.太空生命的“保護(hù)神”——宇航服[J].世界知識，1995，（23）：27.

[3]賈懷東.“地溝油”變身航空油的困境與出路[J].中國軍轉(zhuǎn)民，2014，（03）：17-19.

[4]羅伯特·祖布林，理查德·瓦格納.趕往火星：紅色星球定居計(jì)劃[M].科學(xué)出版社，2012.

[5]楊松林，丁平，趙成堅(jiān)，吳志強(qiáng)，周抗寒，董文平.中國空間站水回收系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2013，26（3）：221-226.