發(fā)射火箭，為何液氧甲烷更具優(yōu)勢

李成智 曉軍

2023年7月12日，由藍箭航天空間科技股份有限公司自主研制的朱雀二號遙二運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功。這是全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭，也是國內(nèi)民商航天首款基于自主研制的液體發(fā)動機實現(xiàn)成功入軌的運載火箭，填補了我國在液氧甲烷火箭研制領(lǐng)域的技術(shù)空白，意味著我國首款大推力液氧甲烷發(fā)動機通過飛行驗證，標志著我國運載火箭在新型低成本液體推進劑應(yīng)用方面取得突破。

為何選擇液氧甲烷作為推進劑

就像汽車需要添加汽油、飛機需要添加航空煤油等燃料一樣，火箭也需要添加燃料，這種火箭專用的燃料被稱為“推進劑”。推進劑在火箭發(fā)動機中快速燃燒，為火箭飛行提供能量，對火箭的性能產(chǎn)生重要的影響。

推進劑按照狀態(tài)分為固體推進劑和液體推進劑兩大類。固體推進劑是固體火箭發(fā)動機的動力源用材料，在導彈和航天技術(shù)發(fā)展中起著重要的作用。液體推進劑以液體形態(tài)進入發(fā)動機，具有高比沖、發(fā)動機推力可調(diào)節(jié)、發(fā)動機可多次啟動及脈沖工作等優(yōu)勢，在大型運載火箭、航天器姿態(tài)控制等領(lǐng)域占據(jù)支配和統(tǒng)治地位。大型液體火箭一般采用雙組元推進劑，如液氧液氫、液氧煤油、液氧甲烷等。其中，液氧甲烷作為推進劑更具優(yōu)勢。

為什么液氧甲烷作為推進劑更具優(yōu)勢？原因有以下三點：作為燃料劑，液態(tài)甲烷的溫度與液態(tài)氧的溫度非常接近，這就節(jié)省了如液氧液氫方案給燃料劑箱和氧化劑箱做隔熱的成本；液態(tài)甲烷的密度遠高于液氫，這意味著在同等體積下能夠為火箭加注更多的燃料；最重要的是，液態(tài)甲烷的制備成本低于液氫、煤油，加上其綠色環(huán)保的特點，液氧甲烷的方案成為未來新一代運載火箭技術(shù)的發(fā)展方向。

世界各國對液氧甲烷發(fā)動機的研制

美國是最早研制液氧甲烷發(fā)動機的國家。早在20世紀80年代初，美國國家航空航天局（NASA）蘭利研究中心即開展了基于液氧甲烷推進劑發(fā)動機的航空航天兩用飛行器HL-42方案的研究。2010年5月5日，美國航空噴氣公司在白沙導彈試驗場成功完成了推力為2.5噸的液氧甲烷火箭發(fā)動機的高空試車。2012年11月，馬斯克宣布SpaceX公司開發(fā)甲烷燃料火箭發(fā)動機。甲烷將是SpaceX火星殖民計劃的首選燃料。之所以將甲烷作為首選燃料，是由甲烷的特點和火星的資源現(xiàn)狀決定的。火星上存在著豐富的地下水和充足的二氧化碳，甲烷是一種簡單的碳氫化合物，可以通過薩巴蒂爾反應(yīng)（通過二氧化碳和氫氣的反應(yīng)生成甲烷和水）在火星上輕松合成。

由于可重復(fù)使用越來越成為新型火箭研制的目標要求之一，液氧甲烷發(fā)動機也因此日益受到各國的高度重視，被稱為21世紀的新型航天運輸系統(tǒng)的動力。近年來，除美國外，世界其他國家如俄羅斯、德國、日本也開展了液氧甲烷液體火箭發(fā)動機的研制。目前，從大推力液氧甲烷發(fā)動機來講，最典型的是美國藍色起源公司研制的BE-4發(fā)動機和SpaceX公司研制的猛禽發(fā)動機。

液氧甲烷作為一種新型推進劑，在國際上還處于探索階段。美國SpaceX公司和藍色起源公司都在開發(fā)使用液氧甲烷的重型火箭，但目前為止都還沒有成功入軌。我國率先實現(xiàn)了液氧甲烷運載火箭的成功發(fā)射和入軌，展示了我國在這一領(lǐng)域的技術(shù)實力和創(chuàng)新能力，為我國航天事業(yè)的發(fā)展增添了新的動力和活力。