发射火箭，为何液氧甲烷更具优势

2023年7月12日，由蓝箭航天空间科技股份有限公司自主研制的朱雀二号遥二运载火箭在酒泉卫星发射中心发射成功。这是全球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭，也是国内民商航天首款基于自主研制的液体发动机实现成功入轨的运载火箭，填补了我国在液氧甲烷火箭研制领域的技术空白，意味着我国首款大推力液氧甲烷发动机通过飞行验证，标志着我国运载火箭在新型低成本液体推进剂应用方面取得突破。

为何选择液氧甲烷作为推进剂

就像汽车需要添加汽油、飞机需要添加航空煤油等燃料一样，火箭也需要添加燃料，这种火箭专用的燃料被称为“推进剂”。推进剂在火箭发动机中快速燃烧，为火箭飞行提供能量，对火箭的性能产生重要的影响。

推进剂按照状态分为固体推进剂和液体推进剂两大类。固体推进剂是固体火箭发动机的动力源用材料，在导弹和航天技术发展中起着重要的作用。液体推进剂以液体形态进入发动机，具有高比冲、发动机推力可调节、发动机可多次启动及脉冲工作等优势，在大型运载火箭、航天器姿态控制等领域占据支配和统治地位。大型液体火箭一般采用双组元推进剂，如液氧液氢、液氧 煤油、液氧甲烷等。其中，液氧甲烷作为推进剂更具优势。

为什么液氧甲烷作为推进剂更具优势？原因有以下三点：作为燃料剂，液态甲烷的温度与液态氧的温度非常接近，这就节省了如液氧液氢方案给燃料剂箱和氧化剂箱做隔热的成本；液态甲烷的密度远高于液氢，这意味着在同等体积下能够为火箭加注更多的燃料；最重要的是，液态甲烷的制备成本低于液氢、煤油，加上其绿色环保的特点，液氧甲烷的方案成为未来新一代运载火箭技术的发展方向。

为何甲烷可以作为低温推进剂

首先，甲烷比热高，是良好的冷却剂，因此液氧甲烷推进剂易于采用双组元进行再生冷却。其次，甲烷是最简单的烃类燃料，含碳量最小（含氢量最大），因此燃烧过程积碳低，有利于重复使用。最后，甲烷和氧在常温下都是气态，在贮箱回收后通过简单的挥发即可清空，贮箱后期清洁比较容易。此外，甲烷具有资源丰富、成本低、无污染的优点。因此，液态甲烷正在成为继煤油、液氢等传统燃料之后的一种新型航天能源。

世界各国对液氧甲烷发动机的研制

美国是最早研制液氧甲烷发动机的国家。早在20世纪80年代初，美国国家航空航天局（NASA)兰利研究中心即开展了基于液氧甲烷推进剂发动机的航空航天两用飞行器HL-42方案的研究。2010年5月5日，美国航空喷气公司在白沙导弹试验场成功完成了推力为2.5吨的液氧甲烷火箭发动机的高空试车。2012年11月，马斯克宣布SpaceX公司开发甲烷燃料火箭发动机。甲烷将是SpaceX火星殖民计划的首选燃料。之所以将甲烷作为首选燃料，是由甲烷的特点和火星的资源现状决定的。火星上存在着丰富的地下水和充足的二氧化碳，甲烷是一种简单的碳氢化合物，可以通过萨巴蒂尔反应（通过二氧化碳和氢气的反应生成甲烷和水）在火星上轻松合成。

“天鹊”（TQ-12）80吨液氧甲烷发动机（图/蓝箭航天）

由于可重复使用越来越成为新型火箭研制的目标要求之一，液氧甲烷发动机也因此日益受到各国的高度重视，被称为21世纪的新型航天运输系统的动力。近年来，除美国外，世界其他国家如俄罗斯、德国、日本也开展了液氧甲烷液体火箭发动机的研制。目前，从大推力液氧甲烷发动机来讲，最典型的是美国蓝色起源公司研制的BE-4发动机和SpaceX公司研制的猛禽发动机。

液氧甲烷作为一种新型推进剂，在国际上还处于探索阶段。美国SpaceX公司和蓝色起源公司都在开发使用液氧甲烷的重型火箭，但目前为止都还没有成功入轨。我国率先实现了液氧甲烷运载火箭的成功发射和入轨，展示了我国在这一领域的技术实力和创新能力，为我国航天事业的发展增添了新的动力和活力。

本文节选自《百科知识》2023.10A

将好文“分享”给更多人