航空航天背景下的化工原理課堂教學

高龍成

摘要：通過對化工原理課堂教學內容與方法的改革與優化，融入航空航天特色，提升學生的專業興趣，讓學生充分了解化學工業在航空航天領域的應用前景，培養學生扎實的專業基礎知識，以適應社會發展和航空航天技術進步的需要，更好地為航空航天事業服務。

關鍵詞：化工原理；航空航天；教學方法

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

一、引言

化工原理是化工、環境、生物、材料等專業的必修課程，是從基礎課向專業課的“過渡橋梁”。化工原理中概念多、公式煩瑣、設備多樣和實踐性強，使得大部分學生在學習過程中感覺內容枯燥，晦澀難懂。同時，在航空航天行業的大背景下，如果學生體會不到化學工程在航空航天領域的重要性，就會難以培養學生的興趣，激發學生學習的積極性。因此，增強化工原理課堂教學的生動性，培養學生學習的興趣，尤其是在教學過程中引入航空航天領域的案例，無疑可以增強教師和學生的交流與互動，教學由學生被動“受灌輸”到教師主動“釋疑”，不僅可以調節課堂氛圍，寓教于樂，還可以加深學生對原理的深刻理解，達到學以致用的目的。

二、從飛機的設計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章節，在化學工業里面應用非常廣泛，而在航空航天領域方面也是非常常見的。在這一章中，流體的機械能衡算式是貫穿整個章節的主線，從而衍生出很多重要的公式和應用。

其中一個非常典型的知識點是皮托管（Pitot tube），航空界稱之為“空速管”。一般安裝在機身對氣流影響較少的區域，如機頭正前方、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算速度，是飛機上極其重要的元件，測速的準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大型客機于多米尼加共和國首都圣多明哥起飛后5分鐘，飛機“失速”墜海，機上189人無一生還。后來調查得出空難是由于飛機駕駛艙下方的空速管被堵塞引起的。[1]

為什么因為一個小小的空速管會引起如此大的事故？根據伯努利方程進行推導，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。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，得出的速度值與實際速度產生很大的偏差，導致機組人員采取了錯誤操作，從而引起飛機失速。

結合實際案例，引導學生運用流體的伯努力方程，結合空速管的結構特點，分析和討論空速管靜壓管和總壓管的流動特點，使學生理解并掌握伯努力方程的應用及空速管的測速方法。

三、由宇航服理解傳熱機理及應用

人類進入外層空間，特別是進行艙外活動，宇航服必不可少的，它被稱為太空生命的“保護神”。宇航服造價超過了所有的奢侈品牌服裝，是紡織工業和服裝工業高科技、高技術的象征。1983年4月，美國宇航員在出艙活動時所穿的“臍帶式宇航服”，造價210萬美元；俄羅斯“和平”號空間站宇航員的宇航服造價300萬美元；而美國宇航員不拴繩索在太空行走時所穿的背包式宇航服更是造價高達750萬美元。宇航服除了防止太陽輻射和宇宙射線的侵害，保護生命，通風換氣，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重要的功能。以月亮來說，面對太陽時，溫度高達120攝氏度，背對太陽時溫度低至零下140攝氏度。[2]在宇航服的設計過程中要綜合考慮各方面的因素。

單就御寒防熱功能來說，根據單層平壁穩定熱傳導的傅里葉定律：

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率λ成正比，也就是說，選用的材料熱導率越低，宇航服的厚度也越低。因此在設計宇航服的過程中，盡可能的選用低熱導率的材料，減輕宇航服的重量，提高宇航服的舒適性。將行業里的最高科學技術與課堂教學結合起來，能夠激發學生的學習興趣，理解知識點的現實意義。

四、由“地溝油”變身航空燃油的案例理解精餾操作及意義

我國餐飲業發達，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身，是學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、閃點高以及十六烷值高燃燒性能好等優點。如何將“臭名昭著”的“地溝油”轉變為航天燃油，這里面究竟包含了怎樣的化工過程？實際上，從“地溝油”向航空油的轉變道路不是一馬平川的，需要很多的“單元操作”。而蒸餾操作在整個環節中起著非常關鍵的作用。[3]

收集到的地溝油經過初步處理，得到較為清澈的油脂，但雜質、異味沒有去除，需要加入甘油發生酯化反應，得到比較純凈的甘油酯，方便進行提煉，得到較為純凈的甘油酯。之后在催化劑的作用下，加入甲醇進行酯交換反應變為甲酯，降低產物的沸點。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。從生物柴油變為航空燃油，還需要進行催化加氫、裂化處理，以便得到不含氧的、以碳氫成分為主的航空生物燃料。

從這個案例中可以看出，蒸餾過程能夠實現提純產品，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，以降低飛船的負載。火星上大氣95%的是CO2，通過Sabatier反應將CO2轉變成CH4作為火箭推進劑。而對于CO2的捕捉，不需要通過加壓泵來實現，利用吸附劑床就可以實現。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、壓強很高的CO2氣體。[4]

通過對這個案例的講解，讓學生了解吸收的重要性，以及溫度對吸收過程的影響。同時，可以引導學生了解固體吸附劑的特點。

六、由空間站水循環系統認識膜分離

為了能夠更長時間的在太空駐留，就必須解決飲用水的問題。在水循環系統出現之前，空間站需要定期運送飲用水，費用高昂（大概12萬元/公斤）。2008年底，國際空間站安裝水循環系統并進行測試，將尿液加工成清潔飲用水。這套價值2.5億美元的水循環系統是太空探索中的一個重要里程碑。在此方面，我國航天科學工作者也開始這方面的研究，取得了卓越成效的進展，為下一步的空間站建設奠定了堅實的基礎。

水循環系統的關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，通過這個案例的介紹和講解，使學生對空間站的建設情況有剛性的認識，了解膜分離在航空航天領域的實際應用。

總之，航空航天是一個國家工業綜合水平的集中體現，其中蘊含著化學工業的方方面面。在課堂上結合航空航天領域的案例，可以提升學生的興趣，認識到化工基礎在航空航天領域的重要地位，活躍課堂氣氛，引導學生樹立服務航空航天的信念。

參考文獻：

[1]伯根航空301號班機空難，百度百科.

[2]曾斌平.太空生命的“保護神”——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：紅色星球定居計劃[M].科學出版社，2012.

[5]楊松林，丁平，趙成堅，吳志強，周抗寒，董文平.中國空間站水回收系統關鍵技術分析[J].航天醫學與醫學工程，2013，26（3）：221-226.