破曉時(shí)刻！液氧甲烷火箭全球首次成功發(fā)射

7月12日9時(shí)許，中國民營航天企業(yè)藍(lán)箭航天的朱雀二號(hào)遙二火箭從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)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(yù)定軌道的液氧甲烷火箭，標(biāo)志著近年熱門的“液氧甲烷潮流”向著實(shí)用化邁出了堅(jiān)實(shí)的第一步。

那么火箭選擇液氧甲烷推進(jìn)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(tái)到火箭

雖然液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)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(dāng)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(hào)”。該火箭與如今的后輩“長相”區(qū)別很大，燃料儲(chǔ)存于管內(nèi)，唯一的發(fā)動(dòng)機(jī)位于火箭中央?？上г摶鸺齼H飛到約60米高度，在那個(gè)年代也找不到實(shí)用價(jià)值，因此沒能掀起波瀾。

20世紀(jì)中期，太空時(shí)代來臨，液體火箭迎來大發(fā)展。不過，當(dāng)時(shí)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)大多數(shù)時(shí)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(jià)選擇。

隨著技術(shù)進(jìn)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(gè)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(chǔ)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(tái)和工廠機(jī)組，其燃燒效率高、綠色環(huán)保、成本低、易制取等優(yōu)點(diǎn)日益突出，甲烷也逐漸成為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)科研人員無法忽視的燃料選項(xiàng)。事實(shí)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(jìn)行提純等步驟，就可以直接作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料。

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

動(dòng)力“新寵”優(yōu)點(diǎn)多

雖然各國航天對(duì)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(gè)20世紀(jì)里，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)都沒能推動(dòng)火箭入軌發(fā)射，而是保持著技術(shù)驗(yàn)證和探索者的身份，默默無聞。

直到21世紀(jì)20年代，在經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的技術(shù)沉淀后，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)終于抵達(dá)實(shí)用化階段的“門檻”。幾乎與此同時(shí)，可回收復(fù)用火箭技術(shù)逐漸成熟，促使液氧甲烷推進(jìn)劑揚(yáng)長避短，成為未來火箭動(dòng)力的“新寵”。

在推進(jìn)劑性能方面，液氧甲烷對(duì)比傳統(tǒng)的液氧煤油各有優(yōu)劣。在密度上，在相同設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)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(shì)，得益于比熱容指標(biāo)，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(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用效果來說更加“友好”。

在發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)性上，甲烷則有天生的優(yōu)勢(shì)。如今，可回收復(fù)用火箭成為大勢(shì)所趨，液氧煤油火箭在回收后必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行徹底清洗才能繼續(xù)使用，而液態(tài)甲烷為強(qiáng)揮發(fā)性燃料，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)由此顯著減輕了后勤維護(hù)工作量。

在火箭儲(chǔ)箱等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)約為零下183攝氏度，甲烷作為還原劑，沸點(diǎn)約為零下161攝氏度，兩者較為接近，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不像液氧和液氫那樣沸點(diǎn)溫差懸殊。因此，選擇清潔燃料時(shí)，液氧甲烷火箭便于使用低溫推進(jìn)劑共底儲(chǔ)箱，從而有效降低儲(chǔ)箱重量，縮短長度，促使火箭箭體減重，增強(qiáng)運(yùn)載能力，還可以彌補(bǔ)在組合密度上的劣勢(shì)。此外，甲烷的可揮發(fā)性強(qiáng)，因此儲(chǔ)箱可以采用自生增壓設(shè)計(jì)，進(jìn)一步助力高效減重。

綜上所述，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)性能強(qiáng)大，使用成本低廉，綜合特性非常適合可回收復(fù)用火箭技術(shù)的發(fā)展潮流，成為新時(shí)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(hào)火箭第二次發(fā)射，其首次發(fā)射在去年12月14日進(jìn)行，遺憾的是，在火箭第二級(jí)飛行過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)管道破裂，導(dǎo)致游機(jī)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(duì)論空間公司的人族一號(hào)火箭和SpaceX公司的“星艦”，可惜均未成功。朱雀二號(hào)火箭團(tuán)隊(duì)及時(shí)歸零故障，改進(jìn)后收獲成功，殊為不易。

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

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(dòng)機(jī)，采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，海平面推力為67噸，海平面比沖達(dá)286秒，真空推力80噸，真空比沖可達(dá)337秒，室壓約為10兆帕。

朱雀二號(hào)火箭第一級(jí)安裝有4臺(tái)“天鵲-12”，起飛推力可達(dá)268噸。而藍(lán)箭航天還在持續(xù)改進(jìn)這款發(fā)動(dòng)機(jī)，新型號(hào)“天鵲-12A”未來有望在朱雀二號(hào)火箭第一級(jí)上亮相。

當(dāng)前，朱雀二號(hào)火箭第二級(jí)安裝有單臺(tái)“天鵲-12”和“天鵲-11”10噸級(jí)液氧甲烷游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。其中，第二級(jí)的“天鵲-12”與第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)相同，并未進(jìn)行真空優(yōu)化。未來，朱雀二號(hào)火箭將取消游機(jī)，取而代之的是“天鵲-15A”80噸級(jí)可變推力泵前擺液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，可以認(rèn)為是“天鵲-12A”的真空優(yōu)化改進(jìn)版。未來，“天鵲-12A”和“天鵲-15A”成功應(yīng)用后，朱雀二號(hào)火箭有望在降低成本的同時(shí)進(jìn)一步提升運(yùn)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。

與此同時(shí)，我國航天“國家隊(duì)”也在努力推進(jìn)更高水平的液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)工作，至少有80噸級(jí)、200噸級(jí)等液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)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(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)試車，或已開始緊鑼密鼓地整箭組裝測試，一些型號(hào)的性能指標(biāo)很高。比如，藍(lán)色起源公司的BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)海平面推力達(dá)到240噸，號(hào)稱可重復(fù)使用100次；SpaceX公司更是放出了“爭取使猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)推力超過270噸，使‘星艦’起飛推力突破9000噸”的豪言壯語。面對(duì)可回收復(fù)用火箭和液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的蓬勃大潮，相信我國航天人將及時(shí)追蹤行業(yè)動(dòng)態(tài)，結(jié)合自身?xiàng)l件和實(shí)際需求，推動(dòng)液氧甲烷火箭及發(fā)動(dòng)機(jī)水平邁上新臺(tái)階。（作者：石曉龍）