朱雀二號使用液氧甲烷大獲成功，不同火箭燃料有何區(qū)別？

2023年7月12日，藍(lán)箭航天的朱雀二號發(fā)射成功，成為世界上第一發(fā)用液氧甲烷發(fā)動機(jī)成功入軌的火箭。很多人看到它的運(yùn)載能力，近地軌道4噸，也就是長征二號的水平，還是不加助推器那種，那咱這商業(yè)航天公司是在重新發(fā)明輪子嗎？有什么意義呢？必然有意義。意義在于，它的發(fā)動機(jī)，液氧甲烷，跟之前的燃料就都不一樣了。

咱們先來復(fù)習(xí)一下常見的幾種液體火箭燃料。肼燃料是常溫燃料，使用方便、技術(shù)簡單，但是有毒。液氫液氧無毒無害，而且是目前咱們用過的效率最高的火箭燃料，但是比較貴，而且燃料溫度特別低，氫分子很小還特別容易漏，所以研發(fā)制造使用成本高難度大，并且因為氫的密度低，火箭必須特別粗。液氧煤油難度和成本都要比液氫液氧低一些，比沖也就是效率，雖然沒有液氫液氧那么高，但是比肼燃料要高。

最后就是液氧甲烷，這種燃料價格很便宜，你想想想當(dāng)年那些出租車從油的改成氣的就知道了，而它的的效率雖然不如氫氧，但是比液氧煤油要高那么一點(diǎn)點(diǎn)，不多，就一點(diǎn)點(diǎn)。聽起來好像不錯，但是甲烷要想在火箭上用，我就不可能是跟出租車似的加個汽包上去用，我得給它液化了，這樣才能裝的夠多，一液化就得給它降溫到零下160多度，雖然說沒有液氫零下兩百多度那么變態(tài)吧，那總之是要比煤油技術(shù)上復(fù)雜一些，所以之前的火箭工程師一對比，說這性能提升不大，難度提升不小。所以液氧甲烷這個燃料一直以來都沒有受到重視。

圖片來自圖蟲網(wǎng)

直到工程師們開始琢磨著怎么低成本重復(fù)使用火箭。為什么這么說呢？一開始美國在研究航天飛機(jī)的時候，本來是說我用現(xiàn)在的液氧煤油發(fā)動機(jī)試試吧，結(jié)果一看發(fā)現(xiàn)不行，為啥呢？這種燃料燒完了有結(jié)焦、積碳，這積碳很難清，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜越難清，所以航天飛機(jī)要重復(fù)使用就不方便，他們才整了RS25那個氫氧發(fā)動機(jī)，現(xiàn)在SLS還在用。但一用氫氧，這個成本又上來了，航天飛機(jī)想便宜沒便宜下來。你可能要說了，馬斯克的獵鷹九號用的不就是液氧煤油發(fā)動機(jī)，人家怎么重復(fù)使用的？就是為了規(guī)避掉結(jié)焦的問題，獵鷹九號用的梅林發(fā)動機(jī)是個開式循環(huán)的，雖然效率相對低，但是結(jié)構(gòu)簡單，不是不結(jié)焦，是結(jié)完了好清理，清理完了再用。

但人類不會止步于這樣的重復(fù)使用的，每次回收回來還得進(jìn)廠洗一個月積碳，那肯定不行，我們的目標(biāo)是落下來補(bǔ)個燃料立刻接著發(fā)射，如此一來，液氧甲烷的優(yōu)勢就出來了，它既沒有氫氧成本那么高，也沒有液氧煤油的結(jié)焦問題，所以spacex的星艦，用的是這種發(fā)動機(jī)，雖然說還沒有成功入軌，但是那個技術(shù)起點(diǎn)確實很高，循環(huán)模式更高級，運(yùn)載能力又強(qiáng)，還要回收，所以是想要一口吃個胖子。

咱們國家的民營航天無論是技術(shù)積累，還是財力，都沒法跟spacex同日而語，所以飯要一口一口吃，肉要一點(diǎn)兒一點(diǎn)兒長。藍(lán)箭公司目前達(dá)成的目標(biāo)類似什么呢？類似于2008年spacex公司的獵鷹一號火箭首次成功發(fā)射，不同的是，獵鷹一號是液氧煤油發(fā)動機(jī)，而藍(lán)箭是液氧甲烷，藍(lán)箭也講了，接下來他們要干的事兒，就是讓朱雀火箭可以回收，相關(guān)實驗今年就會進(jìn)行，spacex從獵鷹一號入軌到獵鷹九號入軌并且成功回收用了7年，倘若藍(lán)箭也可以以同樣的速度進(jìn)行迭代，7年內(nèi)我們就可以用上重復(fù)使用的液氧甲烷火箭，并且根據(jù)藍(lán)箭的計劃，最多可以把5個芯級綁在一起，所以從幾噸到幾十噸的貨物都能打，聽起來跟獵鷹九號以及重型獵鷹差不多。

但別忘了，這是液氧甲烷的火箭，可以更容易地實現(xiàn)落地馬上接著打，理論上要比獵鷹那一套快得多，成本也低得多，就像客機(jī)一樣，飛著的時候是掙錢的，在地面上是花錢的，所以也許朱雀就可以搶占大量的市場了。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：茍勝老師

審核：周炳紅（中國科學(xué)家空間科學(xué)中心 研究員）

出品：中國科協(xié)科普部

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