7月12日9時許，中國民營航天企業藍箭航天的朱雀二號遙二火箭從酒泉衛星發射中心點火升空，發射任務取得圓滿成功，成為世界上首款成功將載荷送入預定軌道的液氧甲烷火箭，標志著近年熱門的“液氧甲烷潮流”向著實用化邁出了堅實的第一步。那么火箭選擇液氧甲烷推進劑有哪些好處？液氧甲烷火箭又具備怎樣的應用前景呢？

從灶臺到火箭

雖然液氧甲烷火箭發動機的實用化歷程在近年逐漸引發關注，但其“萌芽”的年代卻相當早。1931年3月，德國火箭先驅約翰內斯·溫克勒主持發射了人類第一枚液氧甲烷火箭——“休克爾-溫克勒一號”。該火箭與如今的后輩“長相”區別很大，燃料儲存于管內，唯一的發動機位于火箭中央。可惜該火箭僅飛到約60米高度，在那個年代也找不到實用價值，因此沒能掀起波瀾。

20世紀中期，太空時代來臨，液體火箭迎來大發展。不過，當時液體火箭發動機選擇煤油、液氫等作為主要燃料，甲烷仍然“缺席”，這與其產業技術水平、應用范圍是密切相關的。

甲烷是天然氣的主要成分。雖然天然氣很早就被發現了，但在20世紀大多數時間里沒能受到能源市場的足夠重視。這主要是由于天然氣液化技術成熟較晚，工業化處理能力不足，使用成本較高，自然很難作為航天燃料的廉價選擇。

隨著技術進步和需求變化，天然氣在能源交易中的占比越來越大：1970年，受限于液化技術等，全球天然氣貿易量僅有30億立方米；到了2021年，這個數字已經超過1萬億立方米。日本、歐盟等逐漸以天然氣作為主要能源，天然氣提煉、處理、存儲等技術更加成熟，助推甲烷應用場景更加多樣化。

隨著天然氣被送入千家萬戶的廚房灶臺和工廠機組，其燃燒效率高、綠色環保、成本低、易制取等優點日益突出，甲烷也逐漸成為火箭發動機科研人員無法忽視的燃料選項。事實上，某些優質氣田生產的天然氣品質極好，經過液化處理后，不必額外進行提純等步驟，就可以直接作為火箭發動機的燃料。

朱雀二號火箭首次發射騰空瞬間

20世紀60年代，美國航天企業開始進行含甲烷火箭燃料實用化的早期探索，在液氧甲烷推進劑的制備、應用上積累了相當豐富的經驗。20世紀80年代，我國也開展了含甲烷火箭燃料發動機的預究工作，先后進行了甲烷、丙烷的電傳熱試驗和推力室點火試驗，取得了初步成果。眾多航天動力研究單位積累了大量研究成果和經驗，為液氧甲烷發動機飛天打下了堅實基礎。此外，歐空局、俄羅斯、印度等國也在進行液氧甲烷發動機的研究工作，但目前均未造出實用化發動機型號，研究尚處于比較初級的階段。

動力“新寵”優點多

雖然各國航天對于含甲烷火箭燃料的研究工作開展得較早，但是由于種種限制和考量，整個20世紀里，液氧甲烷發動機都沒能推動火箭入軌發射，而是保持著技術驗證和探索者的身份，默默無聞。

直到21世紀20年代，在經過半個多世紀的技術沉淀后，液氧甲烷發動機終于抵達實用化階段的“門檻”。幾乎與此同時，可回收復用火箭技術逐漸成熟，促使液氧甲烷推進劑揚長避短，成為未來火箭動力的“新寵”。

猛禽液氧甲烷發動機地面試車（來源：SpaceX公司）

在推進劑性能方面，液氧甲烷對比傳統的液氧煤油各有優劣。在密度上，在相同設計條件下，液氧甲烷的組合密度比液氧煤油低20%左右，意味著液態甲烷的能量密度不如液氧煤油；而在比沖上，甲烷的理論比沖值比煤油略高3%，但比沖很容易受到諸如發動機循環方式等因素影響，因此煤油與甲烷的比沖可以說是基本相同的；在冷卻效果上，甲烷展現出作為低溫燃料的優勢，得益于比熱容指標，其綜合冷卻能力是煤油的3倍以上，并且作為含碳燃料，不易結焦積碳，這對于發動機實際使用效果來說更加“友好”。

在發動機維護性上，甲烷則有天生的優勢。如今，可回收復用火箭成為大勢所趨，液氧煤油火箭在回收后必須對發動機進行徹底清洗才能繼續使用，而液態甲烷為強揮發性燃料，液氧甲烷發動機由此顯著減輕了后勤維護工作量。

在火箭儲箱等結構設計上，甲烷燃料的使用也給火箭帶來了非常積極的影響。液氧作為氧化劑，沸點約為零下183攝氏度，甲烷作為還原劑，沸點約為零下161攝氏度，兩者較為接近，遠遠不像液氧和液氫那樣沸點溫差懸殊。因此，選擇清潔燃料時，液氧甲烷火箭便于使用低溫推進劑共底儲箱，從而有效降低儲箱重量，縮短長度，促使火箭箭體減重，增強運載能力，還可以彌補在組合密度上的劣勢。此外，甲烷的可揮發性強，因此儲箱可以采用自生增壓設計，進一步助力高效減重。

綜上所述，液氧甲烷發動機性能強大，使用成本低廉，綜合特性非常適合可回收復用火箭技術的發展潮流，成為新時代火箭的“寵兒”也就不足為奇了。

厚積薄發攀高峰

本次任務是朱雀二號火箭第二次發射，其首次發射在去年12月14日進行，遺憾的是，在火箭第二級飛行過程中，發動機管道破裂，導致游機出現異常，載荷未能入軌。今年上半年，國外已有兩款液氧甲烷火箭挑戰首飛入軌，即美國相對論空間公司的人族一號火箭和SpaceX公司的“星艦”，可惜均未成功。朱雀二號火箭團隊及時歸零故障，改進后收獲成功，殊為不易。

據公開資料顯示，我國藍箭航天、九州云箭、星際榮耀、宇航推進等多家民營航天企業正在開展液氧甲烷火箭及發動機的開發工作，陸續取得了比較可觀的成果，其中進展最快的就是藍箭航天。

“天鵲-12”液氧甲烷發動機試車

該公司研發的“天鵲-12”是國內首款投入使用的液氧甲烷發動機，采用燃氣發生器循環，海平面推力為67噸，海平面比沖達286秒，真空推力80噸，真空比沖可達337秒，室壓約為10兆帕。

朱雀二號火箭第一級安裝有4臺“天鵲-12”，起飛推力可達268噸。而藍箭航天還在持續改進這款發動機，新型號“天鵲-12A”未來有望在朱雀二號火箭第一級上亮相。

當前，朱雀二號火箭第二級安裝有單臺“天鵲-12”和“天鵲-11”10噸級液氧甲烷游動發動機。其中，第二級的“天鵲-12”與第一級發動機狀態相同，并未進行真空優化。未來，朱雀二號火箭將取消游機，取而代之的是“天鵲-15A”80噸級可變推力泵前擺液氧甲烷發動機，可以認為是“天鵲-12A”的真空優化改進版。未來，“天鵲-12A”和“天鵲-15A”成功應用后，朱雀二號火箭有望在降低成本的同時進一步提升運力，滿足更多類型的發射需求，適應未來商業化航天發射市場需求。

朱雀二號遙二火箭順利入軌

與此同時，我國航天“國家隊”也在努力推進更高水平的液氧甲烷火箭發動機研發工作，至少有80噸級、200噸級等液氧甲烷發動機正在穩步測試中，將成為我國未來大中型火箭的優先動力選擇。

放眼全球，國外多款液氧甲烷火箭正在研制中，或在加緊推進發動機試車，或已開始緊鑼密鼓地整箭組裝測試，一些型號的性能指標很高。比如，藍色起源公司的BE-4發動機海平面推力達到240噸，號稱可重復使用100次；SpaceX公司更是放出了“爭取使猛禽發動機推力超過270噸，使‘星艦’起飛推力突破9000噸”的豪言壯語。面對可回收復用火箭和液氧甲烷發動機的蓬勃大潮，相信我國航天人將及時追蹤行業動態，結合自身條件和實際需求，推動液氧甲烷火箭及發動機水平邁上新臺階。

作者/石曉龍

圖片/藍箭航天（特別標注除外）

編輯/高辰

審核/楊建 楊蕾

監制/索阿娣