?發(fā)射火箭，為什么液氧甲烷更具優(yōu)勢？

2023年7月12日早上9時，位于大漠深處的酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地液氧甲烷發(fā)射工位，一個纖巧的身影從發(fā)射架上騰空而起，在升騰的煙霧中如離弦之箭沖入云霄。在火箭發(fā)射指揮控制中心內(nèi)，所有工作人員的目光都目不轉(zhuǎn)睛地注視著它拖著尾焰，消失在藍色天際中。不久，一句 “朱雀二號發(fā)射成功”的宣布聲猶如一顆炸雷，打破了這略顯壓抑的寧靜，熱烈的鼓掌聲響徹整個控制室。

▲藍箭航天朱雀二號運載火箭發(fā)射指揮中心（攝影：任孝鵬）

在這個驕陽似火的夏日，這枚名叫“朱雀二號”遙二的中型運載火箭絕對是酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心最亮的明星。它是我國民營航天企業(yè)“藍箭航天”的得意之作。從點火到成功將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，“朱雀二號”用了760.88秒的時間。而這760.88秒的背后，則是從7月6日火箭完成轉(zhuǎn)運與起豎工作至今100多個小時的奮戰(zhàn)，是從5月4日火箭從嘉興的火箭制造基地出征后至今67個日夜的努力，更是從去年12月14日朱雀二號遙一號火箭發(fā)射失敗后至今長達7個月的等待?！爸烊付枴边b二號這次成功發(fā)射，完成了一次不僅屬于 “藍箭航天”，更屬于整個中國商業(yè)航天的跨越。

液態(tài)火箭才是王道

49.5米的身高，219噸的起飛質(zhì)量，朱雀二號作為一款中型運載火箭，乍一看上去并無多少亮眼之處，但實際上，朱雀二號在國內(nèi)外商業(yè)航天界絕對是一款劃時代的產(chǎn)品。▲“朱雀二號”遙二號運載火箭

首先，遙二火箭的成功發(fā)射本身就創(chuàng)造了一項世界記錄：它是世界首款成功發(fā)射入軌的液氧甲烷運載火箭。注意這里的關(guān)鍵詞：“液氧甲烷”，這就要從為朱雀二號提供強大動力的“天鵲”系列火箭發(fā)動機說起了。從原理上來講，火箭實際就是利用自身攜帶的推進劑發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生高速噴射的熱氣流來推進的動力裝置。對于以空間運輸為主要任務(wù)的運載火箭而言，其發(fā)動機有四種主流推進劑方案可供選擇：固體燃料、四氧化二氮/偏二甲肼、液氧煤油和液氧液氫。首先是固體推進劑方案，這應(yīng)該算是歷史最悠久的火箭動力燃料了，古代用黑火藥作為燃料的原始火箭就屬于固體火箭的一種。這種推進劑的優(yōu)點是易于長期貯存，能夠應(yīng)對突發(fā)情況，技術(shù)簡單等。但短板也是非常明顯，比如比沖小、推力不可調(diào)等。這里就涉及到一個關(guān)鍵概念：比沖，即單位推進劑的量所產(chǎn)生的沖量，單位是秒（s）?？梢岳斫鉃橐粋€單位質(zhì)量的推進劑產(chǎn)生一個單位的推力能夠持續(xù)的時間，這是衡量火箭發(fā)動機動力的重要參數(shù)，一般而言，比沖值越大，就表明火箭的動力性能越優(yōu)越。顯然，比沖值普遍較小的固體火箭難以擔當運載火箭發(fā)射的重任，只能作為輔助動力登場。比如航天飛機發(fā)射時配備的兩枚白色助推火箭就是使用了固體推進劑。而如今主流的運載火箭的主發(fā)動機基本都是采用液體推進劑方案，與固體推進劑不同，這類方案中推進劑分為液態(tài)燃料和液態(tài)氧化劑兩類，他們在運載火箭發(fā)動機上一般是分別貯存在兩個空間中，在進入燃燒室后激烈反應(yīng)后產(chǎn)生推力。在所有液體推進劑方案中，液氧是最為悠久的氧化劑，1926年人類歷史上第一枚液體燃料火箭就使用了液氧（氧化劑）+汽油（燃料劑）的方案，同時也是最為高效廉價的氧化劑，很多主流運載火箭的主力發(fā)動機都采用液氧為氧化劑，不同是與之搭配的燃燒劑。這其中液氧+煤油、液氧+液氫是應(yīng)用最廣泛的搭配方案。

▲SpaceX位于肯尼迪航天發(fā)射中心的液氧儲罐（圖片來源：SpaceX）

我們知道，氫氣的燃燒能量驚人，每克氫氣充分燃燒后能夠釋放約141千焦的能量，這讓它雄居人類已知燃料劑能量榜榜首。從最大程度提升火箭動力的角度來看，液氧與液氫是最佳選擇，他們能夠讓發(fā)動機產(chǎn)生最高463.1秒的理論真空比沖值。當年運載阿波羅登月飛船的土星5號超重型火箭的第一級與第二級發(fā)動機，以及擁有人類最大推力的前蘇聯(lián)能源號火箭主發(fā)動機就采用了液氫液氧推進劑。當然這種推進劑方案也有明顯的缺點：液氫液氧本身就需要在低溫狀態(tài)下貯存，而液氧的溫度又比液氫高，加上液氫本身占據(jù)的空間就大，這就導(dǎo)致火箭燃料箱與氧化劑箱的設(shè)計非常復(fù)雜，由此帶來的高昂成本基本把將重視節(jié)約的商業(yè)航天拒之門外。在液氧之外，人們還曾嘗試用四氧化二氮作為氧化劑，搭配偏二甲肼作為燃料劑，比如用于運送神舟系列載人飛船的長征-2F型火箭，以及俄羅斯的質(zhì)子M火箭，這類推進劑可以實現(xiàn)常溫保存，但四氧化二氮有劇毒，且本身的制備成本很高，搭配偏二甲肼后產(chǎn)生的最大理論真空比沖值約在347秒,相比其他液體推進劑方案并無明顯優(yōu)勢，對于商業(yè)航天而言也不是理想的選擇。要想實現(xiàn)高性價比的發(fā)射，商業(yè)運載火箭還是要回歸到液氧上。得益于火箭貯箱工藝技術(shù)的發(fā)展，液氧的貯存成本大幅下降，這種易于制造和儲備的氧化劑成為商業(yè)航天的不二選擇，問題是要以何種燃料劑作為它的搭檔。上文提到的液氫由于貯存成本過高肯定不在考慮之列，目前很多商業(yè)航天企業(yè)采用的是液氧+煤油的方案，這種搭配雖然產(chǎn)生的比沖值略低于液氧+液氫，但煤油的貯存方便，且易獲取，成本容易把控，液氧+煤油的方案能夠產(chǎn)生最大367秒的理論真空比沖值。土星5號的第一級火箭主發(fā)動機，以及SpaceX廣泛使用的“梅林”發(fā)動機就是采用這種推進劑方案。但煤油燃燒后會產(chǎn)生積碳，這給發(fā)動機維護帶來不少壓力。

液氧+甲烷，新興的火箭推進劑方案

那么，在液氧+煤油之外，還有沒有其他更適于商業(yè)航天發(fā)射的推進劑呢？這就要說起天鵲12型所采用的方案：液氧+甲烷。作為燃料劑，甲烷擁有一大優(yōu)勢：即液態(tài)溫度與液態(tài)氧非常接近，這就省去了如液氧+液氫方案那樣給燃料劑箱和氧化劑箱做隔熱的成本。而且甲烷的密度也遠高于液氫，這讓火箭能夠在同等體積下加注更多的燃料。最重要的是，甲烷本身的制備成本也低于液氫、煤油和偏二甲肼。雖然液氧+甲烷的方案所產(chǎn)生的動力還是要比液氧液氫低不少（液氧+甲烷產(chǎn)生的最大理論比沖值約為379秒），但也已與液氧煤油推進劑在伯仲之間，加上本身綠色環(huán)保的特點，液氧+甲烷的方案順應(yīng)了未來新一代運載火箭技術(shù)的發(fā)展方向。對于矢志追求降本增效的商業(yè)航天而言，液氧甲烷正在成為新寵。

▲“朱雀二號”遙二號運載火箭升空

目前世界上的商業(yè)航天巨頭SpaceX正在全力研發(fā)大推力的“猛禽”系列液氧甲烷發(fā)動機。這是世界上亮相的第一款液氧甲烷火箭發(fā)動機，早在2012年就投入研發(fā)，2016年就開始進行全發(fā)動機試車。目前已經(jīng)發(fā)展到第三代的猛禽發(fā)動機，能在真空中產(chǎn)生高達2530千牛的推力，真空比沖值更是達到了363秒，要知道當年勢大力沉的土星5號火箭，它所裝備的第二級液氧液氫主發(fā)動機J-2型，在這兩項的指標也不過是1202千牛和421秒。

▲SpaceX研發(fā)的兩款液體火箭發(fā)動機，右為采用全流量分級燃燒循環(huán)模式的“猛禽”，左為采用開式循環(huán)的“梅林（圖片來源：推特）

在SpaceX之外，另一家世界商業(yè)航天頭部企業(yè)“藍色起源”也非常熱衷于液氧甲烷發(fā)動機的研發(fā)。該公司從2011年就啟動了BE-4型液氧甲烷發(fā)動機研發(fā)項目，2017年進行了首次發(fā)動機試車。根據(jù)設(shè)計要求，BE-4的真空推力將達到2400千牛，真空比沖值雖沒有官方數(shù)據(jù)，但普遍推測在340秒左右。可見這是個與“猛禽”不分伯仲的大力士。

相比于這兩位重量級選手，“藍箭航天”的天鵲12型發(fā)動機只能算是個后進生，首先天鵲12型研制工作在2017年才開始，2019年才完成首次試車，算是世界上第三亮相的液氧甲烷火箭發(fā)動機。而且無論是“猛禽”還是BE-4，在設(shè)計之處就要求能夠重復(fù)使用。雖然都是以液氧甲烷為推進劑，但三者的設(shè)計思路還是存在明顯差異。發(fā)動機里的燃料劑和氧化劑是需要在燃燒室里混合燃燒才能產(chǎn)生推力，那么以什么方式讓兩者相遇，就會劃分出不同的燃燒循環(huán)模式。

“猛禽”與BE-4都采用了“分級燃燒循環(huán)模式”，其基本原理就是：燃料劑或氧化劑預(yù)先在預(yù)燃室進行一次富燃燃燒（大量的燃料與少量氧化劑燃燒）或者富氧燃燒（大量的氧化劑和少量的燃料燃燒），燃燒產(chǎn)生的熱量驅(qū)動渦輪帶動泵結(jié)構(gòu)輸送燃料或氧化劑。然后產(chǎn)生的尾氣送入主燃燒室作最終燃燒產(chǎn)生推力。這種模式在很大程度上提高了推進劑的利用率，從而增加了發(fā)動機的比沖量。但這兩者也存在不同，“猛禽”采用的是最為大膽激進的“全流量分級燃燒循環(huán)”模式。這是分級燃燒循環(huán)模式的一種，其實質(zhì)就是燃料劑和氧化劑都要預(yù)先經(jīng)過富燃和富氧燃燒，故而被稱為“全流量”，這種模式將發(fā)動機推進劑的利用率達到最高，同時延長了發(fā)動機的使用壽命，但這種復(fù)雜的循環(huán)模式也帶來了結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝要求高等難題，從“猛禽”發(fā)動機漫長的研發(fā)周期就能窺見一斑。

相比之下，BE-4的設(shè)計要相對保守些，采用基本的分級燃燒循環(huán)模式，也就是只設(shè)置一個預(yù)燃室，只進行一次富氧燃燒。BE-4燃燒效率要低于“猛禽“，但研發(fā)成本和風險更加可控。不過由于種種原因，BE-4目前依舊只停留在地面試車階段。相比“猛禽“和BE-4發(fā)動機的設(shè)計，天鵲12型采用了更為簡單的“開式循環(huán)模式”，這種模式?jīng)]有復(fù)雜的預(yù)燃工況，只是設(shè)置一個燃氣發(fā)生器，讓部分液氧和甲烷在此燃燒產(chǎn)生動力驅(qū)動渦輪，再由渦輪驅(qū)動燃料泵和氧化劑泵，將液氧和甲烷直接送到主燃料室進行燃燒。與“分級燃燒循環(huán)模式”不同，燃氣發(fā)生器所產(chǎn)生的尾氣不再二次燃燒，而是直接當作廢氣排放掉，這顯然讓天鵲12型在推進劑利用率上存在一定的短板，但簡單的設(shè)計帶來的低成本與低風險，卻也非常契合商業(yè)航天的基本需求。雖然天鵲12型面世最晚，但研發(fā)進度最快，并成功助力朱雀二號摘得全球首個成功入軌的液氧甲烷火箭的桂冠。

▲幾種液體火箭發(fā)動機工作模式示意圖（圖片來源：flownex.com）

降本增效的11項技術(shù)創(chuàng)新

“朱雀二號”的研制歷程頗為曲折。2017年，在“藍箭航天”剛剛成立的第三年，中型液體運載火箭“朱雀二號”就正式立項，當年底就轉(zhuǎn)入方案設(shè)計階段。此后項目進展迅速，2019年，火箭的動力核心天鵲12型發(fā)動機就成功完成全系統(tǒng)試車，同年火箭進入初樣研制階段，2021年進入試樣研制階段。2022年遙一火箭總裝出廠。但在一切看似順利時，2022年12月14日，遙一火箭發(fā)射失敗，項目遭遇挫折。但經(jīng)過藍箭航天技術(shù)人員的連續(xù)數(shù)月的故障排除，遙二火箭在今年5月順利總裝出廠，并運抵酒泉，最終在7月12日成功完成入軌。（提示：請橫屏觀看）

（長圖制作：編輯任孝鵬、設(shè)計李利峰）

朱雀二號凝聚了“藍箭航天”多年的心血。除了在液氧甲烷火箭領(lǐng)域里拔得頭籌，藍箭航天還在火箭的很多細節(jié)上勇于開拓創(chuàng)新，大膽采用領(lǐng)先于國內(nèi)外的新思路與新技術(shù)，將商業(yè)航天的降本增效之路推向了一個新的高度。比如朱雀二號在國內(nèi)首次采用了大推力雙低溫液體火箭發(fā)動機泵后擺技術(shù)。要理解泵后擺技術(shù)，首先要知道，在火箭升空過程中，隨著火箭質(zhì)量因推進劑燃燒而下降，加之空氣逐漸稀薄，為保證火箭運行的穩(wěn)定，需要實時對飛行姿態(tài)進行調(diào)整，這就需要對發(fā)動機噴口進行相應(yīng)的矢量控制，簡單來說就是要讓噴口作擺動動作。

目前同行的擺動技術(shù)分為兩類：泵前擺動和泵后擺動。所謂泵前擺動，就是把用于實現(xiàn)擺動動作的伺服機構(gòu)放置在燃料泵與氧化劑泵前，實際上是讓泵和主燃燒室等發(fā)動機主體結(jié)構(gòu)跟著噴口一并擺動，而推進劑則通過可隨伺服機構(gòu)擺動的軟管進入泵結(jié)構(gòu)中。而泵后擺動，就是把伺服機構(gòu)放在主燃燒室之前，推進劑通過固定硬管進泵。由于需要帶著泵結(jié)構(gòu)和主燃燒室一起“搖擺搖擺“，泵前搖擺要比泵后搖擺需要更大更重的伺服機構(gòu)，這將占用本來就寸土寸金的箭體空間，顯然不利于火箭減重。

▲采用泵后擺技術(shù)的天鵲-12型發(fā)動機正在進行矢量控制試驗

值得一提的是，朱雀二號作為兩級火箭，在第一級配備了四臺天鵲12型發(fā)動機，全部采用泵后搖擺結(jié)構(gòu)。而第二級則配備一臺天鵲12型，以及一臺推力稍小的天鵲11型作為游動發(fā)動機（簡稱“游機“），所謂游機主要是作為主發(fā)動機的輔助動力，同時通過擺動噴口來進行二級火箭的姿態(tài)控制與末速修正，擁有四個噴口的天鵲11同樣采用泵后擺技術(shù)，而那臺主發(fā)動機則采用固定模式。這樣的發(fā)動機組合模式效能頗高，但在去年12月朱雀二號首次發(fā)射時，正是因為作為游機的天鵲11出現(xiàn)故障，最終在距離成功僅臨門一腳之際，未能達到最低入軌速度而折戟。

除此之外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，朱雀二號還在國內(nèi)首創(chuàng)了液氧甲烷自生增壓技術(shù)，在增加推進劑容量的同時，減輕了火箭的重量，進一步降低了發(fā)射成本。高精度高壓低溫調(diào)節(jié)器及低溫彈簧蓄能動密封技術(shù)，則提高了液氧甲烷發(fā)動機的安全性與可靠性，同時壓縮了生產(chǎn)成本。并通過轉(zhuǎn)級控制技術(shù)實現(xiàn)了發(fā)動機的故障診斷，讓火箭在發(fā)射伊始進行健康自檢，大大提高了發(fā)射成功率。此外，大型噴管激光焊接技術(shù)、發(fā)動機推力調(diào)節(jié)技術(shù)，控制系統(tǒng)半實物仿真技術(shù)等共11項技術(shù)創(chuàng)新，全方位保障了本次朱雀二號遙二號火箭的成功入軌。

在中國古代神話傳說中，朱雀作為天上的靈獸，具有浴火重生的能力。而朱雀二號的命運似乎與其名相呼應(yīng)，盡管第一次發(fā)射失敗了，但藍箭航天的上上下下頂住了壓力，總結(jié)經(jīng)驗，勇毅前行，最終迎來“朱雀二號”的重生。此次發(fā)射成功的背后，是技術(shù)創(chuàng)新在提供的強大后盾，而在技術(shù)創(chuàng)新背后，則是中國商業(yè)航天人的拼搏精神所提供的不竭動力。

來源：北京科技報