中國差點創造歷史，液氧甲烷爲何成火箭新寵
01
民營企業的共同選擇
剛剛過去的2023年，中國民營公司在衛星製造及發射領域可謂收穫頗豐。
去年4月，天兵科技研製的“天龍二號”液體運載火箭成功首飛，創立全球私營液體火箭——根據發動機使用的燃料不同，火箭可分爲固體火箭和液體火箭，液體火箭即採用液體推進劑的發動機作爲動力系統的火箭——首飛成功紀錄；去年6月，中國科學院力學研究所抓總、中科宇航公司參與研製的“力箭一號”遙二運載火箭成功發射，採用“一箭26星”方式，刷新了中國一箭多星最高紀錄。
而最受關注的，莫過於2023年7月和12月，民營企業藍箭航天成功發射的兩枚“朱雀二號”火箭——這不僅是全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭，也是國內民營商業航天企業首款基於自主研製的“天鵲”系列甲烷發動機，實現成功入軌的運載火箭，填補了國內液氧甲烷火箭的技術空白。
值得一提的是，就在“朱雀二號”火箭第一次成功發射的兩個多月前，同樣採用液氧甲烷發動機的Space X重型運載火箭“星艦”（Starship）也第一次嘗試發射，只不過發射後不到四分鐘，就因爲一級助推器分離失敗在3.8萬米高空旋轉下墜並爆炸。考慮到“星艦”體量之大，以及其在技術領域的超前性，僅僅以“是否入軌”這一傳統火箭發射成敗的金標準來衡量並不公平，所以這次發射仍被視爲一次成功，直接促進了Space X對飛行器和地面基礎設施的幾次升級。
就在“星艦”發射失敗一個月後，Space X的液氧甲烷發動機第三代“猛禽”進行了熱試車，對應推力達到269噸。熱試車是指在發動機或其燃燒部件產生燃燒或分解反應的情況下進行的各種試驗，如成功意味着已經攻克最大技術難關。而推力達到269噸則意味着，如果星艦的33臺發動機都換成第三代“猛禽”，近9000噸的推力可以將一艘萬噸大型驅逐艦推離地面送到半空。
美國另一家對標SpaceX的私人航天企業，貝佐斯的藍色起源，在自家下一代重型火箭和太空飛船上同樣也選擇了液氧甲烷發動機路線。其研發的BE-4發動機-，推力可達到250噸，理論上能實現100次以上的循環適用。
火箭是太空活動的前提和基礎，而採用什麼推進劑是決定火箭能力的關鍵。儘管業內有聲音認爲發動機技術路線不論對錯，最終都會差異化發展。但一位國內頭部商用航天企業負責人仍堅持認爲，未來五到十年內，無論起步的動力系統路線如何，“最終都會走到液氧甲烷領域裡”。
其實長期以來，火箭燃料的四大主力一直由“液氧+烴類（如煤油、汽油等）”“液氧液氫”“四氧化二氮+偏二甲肼”以及一些固體燃料組成，液氧甲烷發動機爲什麼能成爲以高效靈活著稱的商業航天企業的新寵兒？
02
“甲烷”脫穎而出
液氧甲烷能在商用火箭領域獲得追捧，就是憑藉三個特點：便宜、乾淨、更輕便。
其實早在1931年，德國火箭先驅約翰內斯·溫克勒就主持發射了人類第一枚液氧甲烷火箭“休克爾-溫克勒一號”。該火箭與如今的產品區別很大，燃料是儲存於管內而非儲存室，唯一的發動機位於火箭中央而非尾部。可惜該火箭飛行高度只有約60米，在那個年代也找不到任何實用價值，因此也就被擱置了。
液氧甲烷是由液態氧氣和甲烷混合而成，氧氣、甲烷都是現在大家非常熟悉的概念，甲烷更是我們日常所用天然氣的主要成分，但是在1931年，現代化天然氣產業纔剛剛興起。一直到20世紀70年代，受限於液化技術等，全球天然氣貿易量也僅有30億立方米，作爲主要能源來研發還是太奢侈了。
不過到了2021年，全球天然氣貿易量就已經超過1萬億立方米。隨着天然氣提煉、處理、存儲等技術更加成熟，成本低的優勢漸顯，甲烷也逐漸成爲火箭發動機研究者無法忽視的燃料選項。
而液氧甲烷“乾淨”的特點在大力發展可回收複用火箭的當下，顯得尤爲重要。
在相同設計條件下，相比於液氧煤油這一主流路線，液氧甲烷的組合密度其實低20%左右，意味着液態甲烷的能量密度不如液氧煤油；而在比衝上——比衝可以簡單理解爲燃油經濟性，甲烷的理論比衝值也只比煤油略高3%。
但是在冷卻效果上，甲烷卻能展現出作爲低溫燃料的優勢，得益於比熱容指標，其綜合冷卻能力是煤油的3倍以上。並且，煤油含碳量較高，燃燒後容易在發動機內積碳，堵塞發動機，複用成本較高，而甲烷燃燒後不易結焦積碳，這對於開發可回收發動機無疑是個好消息。
“更輕便”指的則是液氧甲烷燃料對火箭儲箱等結構設計的改變。
液氧作爲氧化劑，沸點約爲零下183攝氏度，甲烷作爲還原劑，沸點約爲零下161攝氏度，兩者較爲接近，遠遠不像液氧液氫組合那樣沸點相差懸殊。所以液氧甲烷火箭可以使用共底儲箱，不用分別冷卻；另外，甲烷的可揮發性強，因此儲箱可以採用自生增壓設計。這樣一來，火箭的儲箱重量、長度都可以降低，有助於火箭箭體減重並增強運載能力。
目標是把人類帶上火星的“星艦”選擇液氧甲烷發動機，除了上述優勢外，還有一個原因：如果人類真的移民到火星，那麼光利用火星大氣中的二氧化碳就可以作爲甲烷的生產原料，不必從地球上自帶煤油，可以節省大量的精力和成本。
總的來說，走通液氧甲烷路線已經初現曙光，作爲全球商業航天企業公認的未來低成本商業火箭的主流推進劑，液氧甲烷發動機的地位不斷穩定，之後的迭代將會發生在其動力循環方式的改變上。
編輯｜張毅
審覈｜吳新
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