“朱雀二號”飛天

章江

突破多項技術

2023年12月9日，“朱雀二號”遙三運載火箭（以下簡稱“朱雀二號”）在酒泉衛星發射中心發射升空，將3顆衛星順利送入預定軌道。“朱雀二號”由此成為全球首枚成功將有效載荷送入指定軌道的液氧甲烷火箭。

“朱雀二號”是一款中型液體運載火箭，火箭總長為49.5米，起飛推力268噸。它的動力來自液氧甲烷發動機，其中一級發動機采用4臺“天鵲”80噸液氧甲烷發動機并聯，二級發動機則采用單臺液氧甲烷發動機。

“朱雀二號”可以將1.5噸重的航天器送入距離地球500千米的太陽同步軌道，后續改進型可將運載能力提高到4噸，滿足近地軌道衛星部署和空間運輸飛船的發射需求。

“朱雀二號”通過優化系統架構、創新材料體系和制造工藝、重構動力系統以及實現無塔架自動化發射等一系列創新，實現環保、經濟、快速響應、可復用、可量產等目標，取得了多項技術突破。比如，它使用的是國內首臺可重復使用液氧甲烷發動機，實現80噸發動機實際運用，燃燒技術、推力室燃燒效率等均達到國際一流水平。

提高航天實力

火箭推進劑從類型上分為固體、液體和混合型，目前常見的火箭液體推進劑主要有液氧煤油、液氫液氧和液氧甲烷等。

液氧煤油發動機采用液氧和煤油作為推進劑，在運載火箭發展史上具有重要地位。煤油屬于綠色環保、經濟性強的推進劑，燃燒產物為水蒸氣和二氧化碳，無毒無污染，是綜合性能優秀的推進劑，已成為世界航天動力的主力。

從20世紀80年代起，我國開始研究液氧煤油發動機技術，是世界第二個完全掌握液氧煤油高壓補燃循環發動機技術的國家。液氧煤油發動機作為運載火箭的主動力裝置，在國家重大航天運載項目、商業航天運輸系統、重復使用運載器領域占有非常重要的位置，是實現航天強國的重要保障之一。

液氧液氫發動機采用液氧和液氫作為推進劑。液氫是化學推進劑中能量最高的燃料，采用液氧液氫作為推進劑的發動機，燃燒效率比常規發動機高40%～50%。其燃燒產物為水蒸氣，清潔無污染。液氫與液氧易點火，燃燒穩定且效率高，適宜各種動力循環方案，有利于發動機方案優化與可靠性設計。

液氧液氫發動機能顯著提高火箭的運輸能力，在航天運載領域占有重要位置，是衡量國家航天實力的重要標志之一。

目前我國的“長征五號”等新一代運載火箭的發動機都采用液氫液氧作為燃料，而研發中的泵壓式液體火箭發動機將支撐起更多重大航天任務的實施，包括載人登月、深空探測、天地往返重復使用運輸系統等。

代表發展方向

既然有了液氧煤油發動機和液氫液氧發動機，為什么還要發展液氧甲烷發動機呢？這就涉及到兩大主流推進劑的缺點。

火箭用的煤油屬于精煉石油，含碳量高，燃燒后釋放的主要是二氧化碳。含碳少的汽油燃燒會在發動機里產生積碳，煤油的積碳問題更嚴重，所以每次飛行結束都得仔細清理，又累又費事，而且積碳可能堵塞噴注器。另外，煤油是常溫燃料，和液氧等低溫液體同時儲存極不方便，需要有特殊的隔熱層，這會給火箭增加制造成本和質量。總之，煤油不適合可多次使用的火箭發動機。

再看液氫液氧發動機。這種燃料本身溫度極低，而多數材料在低溫下都會變脆，氫氣在一定壓力下很容易進入金屬內部破壞金屬結構。同時，氫氣在氧氣中燃燒溫度特別高，多數材料也都難以耐受。這樣一來，發動機就得面對冰火兩重天的復雜熱力環境，很容易發生故障。在航天史上，液氫液氧發動機出現故障和爆炸的頻率最高，所以不適合多次重復使用。

相對于這兩種推進劑，液氧甲烷推進劑具有多種優勢：推進效率高，燃燒無積碳，點火機構設計更容易，便于發動機回收復用，非常適合可重復使用的火箭或飛行器；甲烷與液氧的沸點也相差不多，貯箱間的隔熱需求大幅下降，減輕了結構質量；液氧甲烷推進劑可以從天然氣、油田氣、可燃冰等中分離，來源廣泛，價格便宜，能夠進一步降低火箭的成本。

不同軌道的多星布軌，需要在軌具備多次啟動的功能。液氧甲烷火箭發動機在此方面可謂一枝獨秀，因為它只需通過閥門控制推進劑流動，就能控制發動機，快速完成再次啟動任務。固體燃料發動機一旦啟動，中途就很難停止燃燒，無法進行多次啟動。

液氧甲烷火箭發動機以甲烷為推進劑，液氧為助燃劑，兩者以一定的比例霧化后進入燃燒室，最終能夠釋放巨大的推動力。這種發動機優點突出，具備無毒環保、高可靠、高性能、低成本、易操作，以及可重復使用等特點，代表了航天主動力技術的發展方向。

“天鵲”發動機是目前中國推力最大的雙低溫液體火箭發動機，也是繼美國SpaceX的猛禽發動機、藍色起源的BE-4發動機之后，世界第三臺完成全系統試車考核的大推力液氧甲烷火箭發動機。

隨著“朱雀二號”順利完成任務，相信我國的航天推進劑技術研發會更加完善、更加強大。