厉害了！中国抢先发射液氧甲烷火箭成功，但与马斯克相比还有差距

朱雀二号终于修成正果了！据新华社消息，2023年7月12日上午，蓝箭航天的朱雀二号遥二火箭在酒泉卫星发射中心发射升空，并且已经成功入轨！这枚火箭虽然是民营公司研制的，却非常不简单，是世界上首枚发射入轨的液氧甲烷火箭。

朱雀二号的第一级使用了4台80吨级的“天鹊12”发动机，第二级采用1台“天鹊12”和1台10吨级的“天鹊11”游动发动机，近地轨道运力6吨，太阳同步轨道运力4吨，大大超过了韩国举全国之力搞出的“世界号”。

去年12月，朱雀二号遥一火箭首飞，第一级和第二级的天鹊12均正常工作并关机，但第二级的天鹊11出现问题，导致卫星未能入轨，要不然当时就实现了甲烷火箭的首次入轨，好在现在遥二火箭成功了，也不算太晚，仍然拔得了液氧甲烷火箭的头筹。

说起液氧甲烷火箭，就不能不提一个人，那就是大名鼎鼎的SpaceX老总马斯克。用液氧甲烷作为火箭燃料，就是他一直大力推崇的。然而老马家采用液氧甲烷发动机（猛禽）的火箭“星舰”，到现在还没能成功入轨，上次发射就放了一个大烟花，在全世界的目光中爆炸自毁，确实很丢面子。

然而就是这个连马斯克都还没啃下来的技术，竟然被中国公司抢先实现了，而且还是一家民营航天公司，让这位世界首富的脸都有点儿没处搁。为什么大家都对液氧甲烷火箭如此情有独钟呢？咱们先来看看马斯克给出的理由。

这个理由非常的开脑洞：是因为他要去火星以及太阳系其它行星！火星大气中含有大量甲烷，而在土卫六、天王星、海王星等星球上，甲烷的储量更大，土卫六上甚至有液态甲烷形成的湖泊。由于外太空的行星上甲烷特别丰富，使用它作为火箭燃料就好补充，更有利于星际航行。

听上去是不是很宏大？很让人心潮澎湃？但这不是最根本的原因，即使富有如马斯克，要选择哪种技术路线，主要还得看经济效益。到外行星开采甲烷是很遥远的事情，不能当真。液氧甲烷火箭当下最大的优势，就是能在拥有高比冲的同时，还特别有利于火箭发动机的回收复用，而这正是SpaceX公司的立身之本。

与固体火箭相比，液体火箭的比冲高，运力强。如果按燃料类型来分的话，液体火箭发动机常见的有使用的偏二甲肼/四氧化二氮的“毒发”，但现在用得越来越少了。除了毒发之外有高大上的液氢液氧，还有现在比较流行的液氧煤油，然后就是液氧甲烷。

衡量发动机技术水平的参数，一个是推力，一个是比冲，当然还有推重比。比冲就是消耗单位质量的推进剂所能带来的动量增量，比冲越高，火箭的效率就越高，越能打得高打得远。

在上述几种液体火箭发动机中，液氢液氧发动机无疑是比较最高的，这是因为单位质量的氢气燃烧释放的热量最高。氢氧发动机的比冲随随便便都能达到440s以上，比液氧煤油和液氧甲烷都高得多。所以打高轨道的火箭经常使用氢氧发动机，比如美国的SLS、德尔它4，我国的长征五号，欧洲的阿里亚娜5等等。

但氢氧发动机最大的问题就是液氢的密度太小，一立方米只有70.85公斤，不到水的十分之一，简直低到发指，需要用特别大的贮箱来装，这就带来了很大的结构重量，对火箭的干质比很不利。另外液氢需要在零下253℃以下储存，对低温技术的要求也很高。

而液氧煤油发动机在这方面就比较有优势，煤油的热值比液氢低，但胜在密度大，所以液氧煤油火箭的燃料贮箱不需要特别大，还可以实现非常大的推力，比如土星五号的F-1发动机推力达到了680吨。而且煤油很便宜，还不需要低温，成本大大降低。但煤油发动机的缺点一个是比冲低，另一个就是容易发生结焦，不利于回收复用。

这里说的煤油结焦不是指积碳，积碳是因为煤油不完全燃烧，而结焦则发生在用煤油作为冷却剂冷却燃烧室的时候。由于火箭燃烧室的温度高达3000多℃，如果不冷却，会很容易被烧坏，这时需要用还没有燃烧的煤油来冷却。煤油在高温下即使没有氧气，也会产生结焦问题。对于一次性火箭来说，结焦影响不大，但对于重复使用的火箭，结焦就增加了修复的难度和成本。

于是SpaceX在新一代超重型火箭星舰上，选择了液氧甲烷燃料，研制了“猛禽”发动机。甲烷的热值虽然比不上氢气，但比煤油要高。而甲烷在常压下的液化温度为零下160℃，加压的话还可以更高，比液氢要高不少，对低温的要求大大降低。而液态甲烷的密度大约是煤油的一半，但比液氢要大得多，贮箱产生的重量代价还是可以接受的。

最重要的是甲烷不容易发生结焦，特别有利于发动机的重复使用，这对马斯克和SpaceX公司来说是至关重要的。但是虽然老马一直在推，使用液氧甲烷的星舰发射却一直不太顺利。在上一次入轨发射尝试中，发射升空之后有多台猛禽发动机没能点火或中途熄火，造成火箭姿态失控，最终自爆。

与多灾多难的星舰相比，我国蓝箭航天的朱雀二号的进度却要快得多。虽然去年12月的首飞遭遇了失败，第二级的天鹊11游机出了故障，未能入轨，但今年的遥二火箭却实现了首飞成功，说明第二级游机的问题已经得到了圆满解决。这次发射也让朱雀二号成为有史以来第一枚入轨的液氧甲烷火箭，说它是世界第一是没有问题的。

有些网友认为：这表明我国民营公司的液氧甲烷发动机技术已经超越了“猛禽”，在这方面也是世界第一，这就有待商榷了。朱雀二号的80吨级“天鹊12”发动机不仅推力远远比不上猛禽的269吨，约10MPa的室压比后者的35MPa也要低得多，更大的差距是天鹊12采用了燃气发生器循环，而猛禽则是全流量分级燃烧循环，技术水平不在一个等级上。

燃气发生器循环又称开式循环，是大推力液体火箭发动机的常用工作方式。液体火箭需要使用涡轮泵把燃料和氧化剂泵入燃烧室，为了达到这个目的，有多种循环方式，而燃气发生器循环是最简单粗暴的一种，它将部分燃料和氧化剂在预燃室中混合燃烧，推动涡轮泵。

为了不让涡轮泵温度过高，经常会让燃料多于氧化剂，或是氧化剂多于燃料，也就是富燃燃烧或富氧燃烧，产生的废气就直接用一根管子排掉了。猎鹰9号的梅林发动机就是开式循环，可以看到预燃室富燃燃烧排出的滚滚黑烟。

这种循环方式结构简单，但预燃室排出的废气只能产生很小的推力，还浪费了大量燃料或氧气，燃烧室的室压也做不到特别高，最终的后果就是比冲低，例如猎鹰9号火箭使用的梅林1D发动机的海平面比冲只有282秒。朱雀二号的天鹊12就是燃气发生器循环，虽然采用了甲烷燃料，但海平面比冲也只有286秒，比使用煤油的梅林1D没高到哪儿去。

但SpaceX的猛禽发动机就大有不同了，它采用的全流量分级燃烧循环是非常高端的技术，比燃气发生器循环高两个层次。要说清楚这种工作方式，得先说说介于二者之间的高压补燃循环，也就是长征五号助推器的YF100发动机采用的循环方式。

高压补燃属于闭式循环，预燃室采用富氧燃烧，产生的废气没有直接排掉，而是进入燃烧室继续参与燃烧。由于废气是富氧的，需要补充燃料，所以才叫“补燃”。高压补燃的废气得到了再利用，室压也比燃气发生器循环更高，所以比冲也更高。但全流量分级燃烧循环比高压补燃还要更加激进。

全流量分级燃烧的室压更高，最终也实现了更大的比冲。第三代猛禽的海平面比冲达到了330秒左右，明显高于天鹊12。而甲烷在富燃燃烧时的积碳更少，液态甲烷的结焦也远远小于煤油，因此猛禽发动机也是可重复利用的。

朱雀二号的运载能力比起星舰更是差得远，它的近地轨道运力是6吨，目前还没有实现回收。而星舰则达到了150~250吨，而且还能回收。所以说，虽然朱雀二号和天鹊12抢先实现了发射入轨，但在技术水平上与星舰与猛禽的组合还有很大差距。星舰近期也会进行第二次入轨发射，如果成功的话，其优势就更大了。

不过，万事开头难，现在朱雀二号已经开了一个好头，接下来只要能够走上正轨，不断发射卫星，不断改进提升，就会进入良性循环。未来批次的朱雀二号将采用改进的天鹊12A发动机，该发动机具备二次启动能力，有重复使用潜力，而第二级也将取消游机，使用80吨级的天鹊15A可变推力泵前摆液氧甲烷发动机。

马斯克的猎鹰9号一开始其实也没有那么强，但后来在持续改进中实现了可回收，能力也越来越强，相信朱雀二号也能实现这样的逆袭！