發射火箭，爲何液氧甲烷更具優勢

2023年7月12日，由藍箭航天空間科技股份有限公司自主研製的朱雀二號遙二運載火箭在酒泉衛星發射中心發射成功。這是全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭，也是國內民商航天首款基於自主研製的液體發動機實現成功入軌的運載火箭，填補了我國在液氧甲烷火箭研製領域的技術空白，意味着我國首款大推力液氧甲烷發動機通過飛行驗證，標誌着我國運載火箭在新型低成本液體推進劑應用方面取得突破。

爲何選擇液氧甲烷作爲推進劑

就像汽車需要添加汽油、飛機需要添加航空煤油等燃料一樣，火箭也需要添加燃料，這種火箭專用的燃料被稱爲“推進劑”。推進劑在火箭發動機中快速燃燒，爲火箭飛行提供能量，對火箭的性能產生重要的影響。

推進劑按照狀態分爲固體推進劑和液體推進劑兩大類。固體推進劑是固體火箭發動機的動力源用材料，在導彈和航天技術發展中起着重要的作用。液體推進劑以液體形態進入發動機，具有高比衝、發動機推力可調節、發動機可多次啓動及脈衝工作等優勢，在大型運載火箭、航天器姿態控制等領域佔據支配和統治地位。大型液體火箭一般採用雙組元推進劑，如液氧液氫、液氧 煤油、液氧甲烷等。其中，液氧甲烷作爲推進劑更具優勢。

爲什麼液氧甲烷作爲推進劑更具優勢？原因有以下三點：作爲燃料劑，液態甲烷的溫度與液態氧的溫度非常接近，這就節省了如液氧液氫方案給燃料劑箱和氧化劑箱做隔熱的成本；液態甲烷的密度遠高於液氫，這意味着在同等體積下能夠爲火箭加註更多的燃料；最重要的是，液態甲烷的製備成本低於液氫、煤油，加上其綠色環保的特點，液氧甲烷的方案成爲未來新一代運載火箭技術的發展方向。

爲何甲烷可以作爲低溫推進劑

首先，甲烷比熱高，是良好的冷卻劑，因此液氧甲烷推進劑易於採用雙組元進行再生冷卻。其次，甲烷是最簡單的烴類燃料，含碳量最小（含氫量最大），因此燃燒過程積碳低，有利於重複使用。最後，甲烷和氧在常溫下都是氣態，在貯箱回收後通過簡單的揮發即可清空，貯箱後期清潔比較容易。此外，甲烷具有資源豐富、成本低、無污染的優點。因此，液態甲烷正在成爲繼煤油、液氫等傳統燃料之後的一種新型航天能源。

世界各國對液氧甲烷發動機的研製

美國是最早研製液氧甲烷發動機的國家。早在20世紀80年代初，美國國家航空航天局（NASA)蘭利研究中心即開展了基於液氧甲烷推進劑發動機的航空航天兩用飛行器HL-42方案的研究。2010年5月5日，美國航空噴氣公司在白沙導彈試驗場成功完成了推力爲2.5噸的液氧甲烷火箭發動機的高空試車。2012年11月，馬斯克宣佈SpaceX公司開發甲烷燃料火箭發動機。甲烷將是SpaceX火星殖民計劃的首選燃料。之所以將甲烷作爲首選燃料，是由甲烷的特點和火星的資源現狀決定的。火星上存在着豐富的地下水和充足的二氧化碳，甲烷是一種簡單的碳氫化合物，可以通過薩巴蒂爾反應（通過二氧化碳和氫氣的反應生成甲烷和水）在火星上輕鬆合成。

“天鵲”（TQ-12）80噸液氧甲烷發動機（圖/藍箭航天）

由於可重複使用越來越成爲新型火箭研製的目標要求之一，液氧甲烷發動機也因此日益受到各國的高度重視，被稱爲21世紀的新型航天運輸系統的動力。近年來，除美國外，世界其他國家如俄羅斯、德國、日本也開展了液氧甲烷液體火箭發動機的研製。目前，從大推力液氧甲烷發動機來講，最典型的是美國藍色起源公司研製的BE-4發動機和SpaceX公司研製的猛禽發動機。

液氧甲烷作爲一種新型推進劑，在國際上還處於探索階段。美國SpaceX公司和藍色起源公司都在開發使用液氧甲烷的重型火箭，但目前爲止都還沒有成功入軌。我國率先實現了液氧甲烷運載火箭的成功發射和入軌，展示了我國在這一領域的技術實力和創新能力，爲我國航天事業的發展增添了新的動力和活力。

本文節選自《百科知識》2023.10A

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