7月12日9時許，中國民營航天企業(yè)藍箭航天的朱雀二號遙二火箭從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點火升空，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功，成為世界上首款成功將載荷送入預定軌道的液氧甲烷火箭，標志著近年熱門的“液氧甲烷潮流”向著實用化邁出了堅實的第一步。那么火箭選擇液氧甲烷推進劑有哪些好處？液氧甲烷火箭又具備怎樣的應(yīng)用前景呢？

從灶臺到火箭

雖然液氧甲烷火箭發(fā)動機的實用化歷程在近年逐漸引發(fā)關(guān)注，但其“萌芽”的年代卻相當早。1931年3月，德國火箭先驅(qū)約翰內(nèi)斯·溫克勒主持發(fā)射了人類第一枚液氧甲烷火箭——“休克爾-溫克勒一號”。該火箭與如今的后輩“長相”區(qū)別很大，燃料儲存于管內(nèi)，唯一的發(fā)動機位于火箭中央。可惜該火箭僅飛到約60米高度，在那個年代也找不到實用價值，因此沒能掀起波瀾。

20世紀中期，太空時代來臨，液體火箭迎來大發(fā)展。不過，當時液體火箭發(fā)動機選擇煤油、液氫等作為主要燃料，甲烷仍然“缺席”，這與其產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平、應(yīng)用范圍是密切相關(guān)的。

甲烷是天然氣的主要成分。雖然天然氣很早就被發(fā)現(xiàn)了，但在20世紀大多數(shù)時間里沒能受到能源市場的足夠重視。這主要是由于天然氣液化技術(shù)成熟較晚，工業(yè)化處理能力不足，使用成本較高，自然很難作為航天燃料的廉價選擇。

隨著技術(shù)進步和需求變化，天然氣在能源交易中的占比越來越大：1970年，受限于液化技術(shù)等，全球天然氣貿(mào)易量僅有30億立方米；到了2021年，這個數(shù)字已經(jīng)超過1萬億立方米。日本、歐盟等逐漸以天然氣作為主要能源，天然氣提煉、處理、存儲等技術(shù)更加成熟，助推甲烷應(yīng)用場景更加多樣化。

隨著天然氣被送入千家萬戶的廚房灶臺和工廠機組，其燃燒效率高、綠色環(huán)保、成本低、易制取等優(yōu)點日益突出，甲烷也逐漸成為火箭發(fā)動機科研人員無法忽視的燃料選項。事實上，某些優(yōu)質(zhì)氣田生產(chǎn)的天然氣品質(zhì)極好，經(jīng)過液化處理后，不必額外進行提純等步驟，就可以直接作為火箭發(fā)動機的燃料。

朱雀二號火箭首次發(fā)射騰空瞬間

20世紀60年代，美國航天企業(yè)開始進行含甲烷火箭燃料實用化的早期探索，在液氧甲烷推進劑的制備、應(yīng)用上積累了相當豐富的經(jīng)驗。20世紀80年代，我國也開展了含甲烷火箭燃料發(fā)動機的預究工作，先后進行了甲烷、丙烷的電傳熱試驗和推力室點火試驗，取得了初步成果。眾多航天動力研究單位積累了大量研究成果和經(jīng)驗，為液氧甲烷發(fā)動機飛天打下了堅實基礎(chǔ)。此外，歐空局、俄羅斯、印度等國也在進行液氧甲烷發(fā)動機的研究工作，但目前均未造出實用化發(fā)動機型號，研究尚處于比較初級的階段。

動力“新寵”優(yōu)點多

雖然各國航天對于含甲烷火箭燃料的研究工作開展得較早，但是由于種種限制和考量，整個20世紀里，液氧甲烷發(fā)動機都沒能推動火箭入軌發(fā)射，而是保持著技術(shù)驗證和探索者的身份，默默無聞。

直到21世紀20年代，在經(jīng)過半個多世紀的技術(shù)沉淀后，液氧甲烷發(fā)動機終于抵達實用化階段的“門檻”。幾乎與此同時，可回收復用火箭技術(shù)逐漸成熟，促使液氧甲烷推進劑揚長避短，成為未來火箭動力的“新寵”。

猛禽液氧甲烷發(fā)動機地面試車（來源：SpaceX公司）

在推進劑性能方面，液氧甲烷對比傳統(tǒng)的液氧煤油各有優(yōu)劣。在密度上，在相同設(shè)計條件下，液氧甲烷的組合密度比液氧煤油低20%左右，意味著液態(tài)甲烷的能量密度不如液氧煤油；而在比沖上，甲烷的理論比沖值比煤油略高3%，但比沖很容易受到諸如發(fā)動機循環(huán)方式等因素影響，因此煤油與甲烷的比沖可以說是基本相同的；在冷卻效果上，甲烷展現(xiàn)出作為低溫燃料的優(yōu)勢，得益于比熱容指標，其綜合冷卻能力是煤油的3倍以上，并且作為含碳燃料，不易結(jié)焦積碳，這對于發(fā)動機實際使用效果來說更加“友好”。

在發(fā)動機維護性上，甲烷則有天生的優(yōu)勢。如今，可回收復用火箭成為大勢所趨，液氧煤油火箭在回收后必須對發(fā)動機進行徹底清洗才能繼續(xù)使用，而液態(tài)甲烷為強揮發(fā)性燃料，液氧甲烷發(fā)動機由此顯著減輕了后勤維護工作量。

在火箭儲箱等結(jié)構(gòu)設(shè)計上，甲烷燃料的使用也給火箭帶來了非常積極的影響。液氧作為氧化劑，沸點約為零下183攝氏度，甲烷作為還原劑，沸點約為零下161攝氏度，兩者較為接近，遠遠不像液氧和液氫那樣沸點溫差懸殊。因此，選擇清潔燃料時，液氧甲烷火箭便于使用低溫推進劑共底儲箱，從而有效降低儲箱重量，縮短長度，促使火箭箭體減重，增強運載能力，還可以彌補在組合密度上的劣勢。此外，甲烷的可揮發(fā)性強，因此儲箱可以采用自生增壓設(shè)計，進一步助力高效減重。

綜上所述，液氧甲烷發(fā)動機性能強大，使用成本低廉，綜合特性非常適合可回收復用火箭技術(shù)的發(fā)展潮流，成為新時代火箭的“寵兒”也就不足為奇了。

厚積薄發(fā)攀高峰

本次任務(wù)是朱雀二號火箭第二次發(fā)射，其首次發(fā)射在去年12月14日進行，遺憾的是，在火箭第二級飛行過程中，發(fā)動機管道破裂，導致游機出現(xiàn)異常，載荷未能入軌。今年上半年，國外已有兩款液氧甲烷火箭挑戰(zhàn)首飛入軌，即美國相對論空間公司的人族一號火箭和SpaceX公司的“星艦”，可惜均未成功。朱雀二號火箭團隊及時歸零故障，改進后收獲成功，殊為不易。

據(jù)公開資料顯示，我國藍箭航天、九州云箭、星際榮耀、宇航推進等多家民營航天企業(yè)正在開展液氧甲烷火箭及發(fā)動機的開發(fā)工作，陸續(xù)取得了比較可觀的成果，其中進展最快的就是藍箭航天。

“天鵲-12”液氧甲烷發(fā)動機試車

該公司研發(fā)的“天鵲-12”是國內(nèi)首款投入使用的液氧甲烷發(fā)動機，采用燃氣發(fā)生器循環(huán)，海平面推力為67噸，海平面比沖達286秒，真空推力80噸，真空比沖可達337秒，室壓約為10兆帕。

朱雀二號火箭第一級安裝有4臺“天鵲-12”，起飛推力可達268噸。而藍箭航天還在持續(xù)改進這款發(fā)動機，新型號“天鵲-12A”未來有望在朱雀二號火箭第一級上亮相。

當前，朱雀二號火箭第二級安裝有單臺“天鵲-12”和“天鵲-11”10噸級液氧甲烷游動發(fā)動機。其中，第二級的“天鵲-12”與第一級發(fā)動機狀態(tài)相同，并未進行真空優(yōu)化。未來，朱雀二號火箭將取消游機，取而代之的是“天鵲-15A”80噸級可變推力泵前擺液氧甲烷發(fā)動機，可以認為是“天鵲-12A”的真空優(yōu)化改進版。未來，“天鵲-12A”和“天鵲-15A”成功應(yīng)用后，朱雀二號火箭有望在降低成本的同時進一步提升運力，滿足更多類型的發(fā)射需求，適應(yīng)未來商業(yè)化航天發(fā)射市場需求。

朱雀二號遙二火箭順利入軌

與此同時，我國航天“國家隊”也在努力推進更高水平的液氧甲烷火箭發(fā)動機研發(fā)工作，至少有80噸級、200噸級等液氧甲烷發(fā)動機正在穩(wěn)步測試中，將成為我國未來大中型火箭的優(yōu)先動力選擇。

放眼全球，國外多款液氧甲烷火箭正在研制中，或在加緊推進發(fā)動機試車，或已開始緊鑼密鼓地整箭組裝測試，一些型號的性能指標很高。比如，藍色起源公司的BE-4發(fā)動機海平面推力達到240噸，號稱可重復使用100次；SpaceX公司更是放出了“爭取使猛禽發(fā)動機推力超過270噸，使‘星艦’起飛推力突破9000噸”的豪言壯語。面對可回收復用火箭和液氧甲烷發(fā)動機的蓬勃大潮，相信我國航天人將及時追蹤行業(yè)動態(tài)，結(jié)合自身條件和實際需求，推動液氧甲烷火箭及發(fā)動機水平邁上新臺階。

作者/石曉龍

圖片/藍箭航天（特別標注除外）

編輯/高辰

審核/楊建 楊蕾

監(jiān)制/索阿娣