商业火箭为何独爱液氧甲烷

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　　民营企业的共同选择

　　刚刚过去的2023 年，中国民营公司在卫星制造及发射领域可谓收获颇丰。

　　去年4 月，天兵科技研制的“天龙二号”液体运载火箭成功首飞，创立全球私营液体火箭——根据发动机使用的燃料不同，火箭可分为固体火箭和液体火箭，液体火箭即采用液体推进剂的发动机作为动力系统的火箭——首飞成功纪录；去年6 月，中国科学院力学研究所抓总、中科宇航公司参与研制的“力箭一号”遥二运载火箭成功发射，采用“一箭26 星”方式，刷新了中国一箭多星最高纪录。

　　而最受关注的，莫过于2023 年7 月和12 月，民营企业蓝箭航天成功发射的两枚“朱雀二号”火箭——这不仅是全球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭，也是国内民营商业航天企业首款基于自主研制的“天鹊”系列甲烷发动机，实现成功入轨的运载火箭，填补了国内液氧甲烷火箭的技术空白。

　　值得一提的是，就在“朱雀二号”火箭第一次成功发射的两个多月前，同样采用液氧甲烷发动机的Space X 重型运载火箭“星舰”（Starship）也第一次尝试发射，只不过发射后不到四分钟，就因为一级助推器分离失败在3.8 万米高空旋转下坠并爆炸。考虑到“星舰”体量之大，以及其在技术领域的超前性，仅仅以“是否入轨”这一传统火箭发射成败的金标准来衡量并不公平，所以这次发射仍被视为一次成功，直接促进了Space X 对飞行器和地面基础设施的几次升级。

　　就在“星舰”发射失败一个月后，Space X 的液氧甲烷发动机第三代“猛禽”进行了热试车，对应推力达到269 吨。热试车是指在发动机或其燃烧部件产生燃烧或分解反应的情况下进行的各种试验，如成功意味着已经攻克最大技术难关。而推力达到269吨则意味着，如果星舰的33 台发动机都换成第三代“猛禽”，近9000 吨的推力可以将一艘万吨大型驱逐舰推离地面送到半空。

　　美国另一家对标SpaceX 的私人航天企业，贝佐斯的蓝色起源，在自家下一代重型火箭和太空飞船上同样也选择了液氧甲烷发动机路线。其研发的BE-4 发动机，推力可达到250 吨，理论上能实现100 次以上的循环适用。

　　火箭是太空活动的前提和基础，而采用什么推进剂是决定火箭能力的关键。尽管业内有声音认为发动机技术路线不论对错，最终都会差异化发展，但一位国内头部商用航天企业负责人仍坚持认为，未来五到十年内，无论起步的动力系统路线如何，“最终都会走到液氧甲烷领域里”。

　　其实长期以来，火箭燃料的四大主力一直由“液氧+ 烃类（如煤油、汽油等）”“液氧液氢”“四氧化二氮+ 偏二甲肼”以及一些固体燃料组成，液氧甲烷发动机为什么能成为以高效灵活著称的商业航天企业的新宠儿？

　　“甲烷”脱颖而出

　　液氧甲烷能在商用火箭领域获得追捧，就是凭借三个特点：便宜、干净、更轻便。

　　其实早在1931 年，德国火箭先驱约翰内斯·温克勒就主持发射了人类第一枚液氧甲烷火箭“休克尔- 温克勒一号”。该火箭与如今的产品区别很大，燃料是储存于管内而非储存室，唯一的发动机位于火箭中央而非尾部。可惜该火箭飞行高度只有约60米，在那个年代也找不到任何实用价值，因此也就被搁置了。

　　液氧甲烷是由液态氧气和甲烷混合而成，氧气、甲烷都是现在大家非常熟悉的概念，甲烷更是我们日常所用天然气的主要成分，但是在1931年，现代化天然气产业才刚刚兴起。一直到20 世纪70 年代，受限于液化技术等，全球天然气贸易量也仅有30 亿立方米，作为主要能源来研发还是太奢侈了。

　　不过到了2021 年，全球天然气贸易量就已经超过1 万亿立方米。随着天然气提炼、处理、存储等技术更加成熟，成本低的优势渐显，甲烷也逐渐成为火箭发动机研究者无法忽视的燃料选项。

　　而液氧甲烷“干净”的特点在大力发展可回收复用火箭的当下，显得尤为重要。

　　在相同设计条件下，相比于液氧煤油这一主流路线，液氧甲烷的组合密度其实低20% 左右，意味着液态甲烷的能量密度不如液氧煤油；而在比冲上——比冲可以简单理解为燃油经济性，甲烷的理论比冲值也只比煤油略高3%。

　　但是在冷却效果上，甲烷却能展现出作为低温燃料的优势，得益于比热容指标，其综合冷却能力是煤油的3 倍以上。并且，煤油含碳量较高，燃烧后容易在发动机内积碳，堵塞发动机，复用成本较高，而甲烷燃烧后不易结焦积碳，这对于开发可回收发动机无疑是个好消息。

　　“更轻便”指的则是液氧甲烷燃料对火箭储箱等结构设计的改变。

　　液氧作为氧化剂，沸点约为零下183 摄氏度，甲烷作为还原剂，沸点约为零下161 摄氏度，两者较为接近，远远不像液氧液氢组合那样沸点相差悬殊。所以液氧甲烷火箭可以使用共底储箱，不用分别冷却；另外，甲烷的可挥发性强，因此储箱可以采用自生增压设计。这样一来，火箭的储箱重量、长度都可以降低，有助于火箭箭体减重并增强运载能力。

　　目标是把人类带上火星的“星舰”选择液氧甲烷发动机，除了上述优势外，还有一个原因：如果人类真的移民到火星，那么光利用火星大气中的二氧化碳就可以作为甲烷的生产原料，不必从地球上自带煤油，可以节省大量的精力和成本。

　　总的来说，走通液氧甲烷路线已经初现曙光，作为全球商业航天企业公认的未来低成本商业火箭的主流推进剂，液氧甲烷发动机的地位不断稳定，之后的迭代将会发生在其动力循环方式的改变上。

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