發射火箭，爲什麼液氧甲烷更具優勢？

2023年7月12日早上9時，位於大漠深處的酒泉衛星發射基地液氧甲烷發射工位，一個纖巧的身影從發射架上騰空而起，在升騰的煙霧中如離弦之箭衝入雲霄。在火箭發射指揮控制中心內，所有工作人員的目光都目不轉睛地注視着它拖着尾焰，消失在藍色天際中。不久，一句 “朱雀二號發射成功”的宣佈聲猶如一顆炸雷，打破了這略顯壓抑的寧靜，熱烈的鼓掌聲響徹整個控制室。

▲藍箭航天朱雀二號運載火箭發射指揮中心（攝影：任孝鵬）

在這個驕陽似火的夏日，這枚名叫“朱雀二號”遙二的中型運載火箭絕對是酒泉衛星發射中心最亮的明星。它是我國民營航天企業“藍箭航天”的得意之作。從點火到成功將衛星送入預定軌道，“朱雀二號”用了760.88秒的時間。而這760.88秒的背後，則是從7月6日火箭完成轉運與起豎工作至今100多個小時的奮戰，是從5月4日火箭從嘉興的火箭製造基地出征後至今67個日夜的努力，更是從去年12月14日朱雀二號遙一號火箭發射失敗後至今長達7個月的等待。“朱雀二號”遙二號這次成功發射，完成了一次不僅屬於 “藍箭航天”，更屬於整個中國商業航天的跨越。

液態火箭纔是王道

49.5米的身高，219噸的起飛質量，朱雀二號作爲一款中型運載火箭，乍一看上去並無多少亮眼之處，但實際上，朱雀二號在國內外商業航天界絕對是一款劃時代的產品。

▲“朱雀二號”遙二號運載火箭

首先，遙二火箭的成功發射本身就創造了一項世界記錄：它是世界首款成功發射入軌的液氧甲烷運載火箭。注意這裡的關鍵詞：“液氧甲烷”，這就要從爲朱雀二號提供強大動力的“天鵲”系列火箭發動機說起了。

從原理上來講，火箭實際就是利用自身攜帶的推進劑發生反應，產生高速噴射的熱氣流來推進的動力裝置。對於以空間運輸爲主要任務的運載火箭而言，其發動機有四種主流推進劑方案可供選擇：固體燃料、四氧化二氮/偏二甲肼、液氧煤油和液氧液氫。首先是固體推進劑方案，這應該算是歷史最悠久的火箭動力燃料了，古代用黑火藥作爲燃料的原始火箭就屬於固體火箭的一種。這種推進劑的優點是易於長期貯存，能夠應對突發情況，技術簡單等。但短板也是非常明顯，比如比衝小、推力不可調等。

這裡就涉及到一個關鍵概念：比衝，即單位推進劑的量所產生的衝量，單位是秒（s）。可以理解爲一個單位質量的推進劑產生一個單位的推力能夠持續的時間，這是衡量火箭發動機動力的重要參數，一般而言，比衝值越大，就表明火箭的動力性能越優越。顯然，比衝值普遍較小的固體火箭難以擔當運載火箭發射的重任，只能作爲輔助動力登場。比如航天飛機發射時配備的兩枚白色助推火箭就是使用了固體推進劑。

而如今主流的運載火箭的主發動機基本都是採用液體推進劑方案，與固體推進劑不同，這類方案中推進劑分爲液態燃料和液態氧化劑兩類，他們在運載火箭發動機上一般是分別貯存在兩個空間中，在進入燃燒室後激烈反應後產生推力。在所有液體推進劑方案中，液氧是最爲悠久的氧化劑，1926年人類歷史上第一枚液體燃料火箭就使用了液氧（氧化劑）+汽油（燃料劑）的方案，同時也是最爲高效廉價的氧化劑，很多主流運載火箭的主力發動機都採用液氧爲氧化劑，不同是與之搭配的燃燒劑。這其中液氧+煤油、液氧+液氫是應用最廣泛的搭配方案。

我們知道，氫氣的燃燒能量驚人，每克氫氣充分燃燒後能夠釋放約141千焦的能量，這讓它雄居人類已知燃料劑能量榜榜首。從最大程度提升火箭動力的角度來看，液氧與液氫是最佳選擇，他們能夠讓發動機產生最高463.1秒的理論真空比衝值。當年運載阿波羅登月飛船的土星5號超重型火箭的第一級與第二級發動機，以及擁有人類最大推力的前蘇聯能源號火箭主發動機就採用了液氫液氧推進劑。當然這種推進劑方案也有明顯的缺點：液氫液氧本身就需要在低溫狀態下貯存，而液氧的溫度又比液氫高，加上液氫本身佔據的空間就大，這就導致火箭燃料箱與氧化劑箱的設計非常複雜，由此帶來的高昂成本基本把將重視節約的商業航天拒之門外。

在液氧之外，人們還曾嘗試用四氧化二氮作爲氧化劑，搭配偏二甲肼作爲燃料劑，比如用於運送神舟系列載人飛船的長征-2F型火箭，以及俄羅斯的質子M火箭，這類推進劑可以實現常溫保存，但四氧化二氮有劇毒，且本身的製備成本很高，搭配偏二甲肼後產生的最大理論真空比衝值約在347秒,相比其他液體推進劑方案並無明顯優勢，對於商業航天而言也不是理想的選擇。

要想實現高性價比的發射，商業運載火箭還是要回歸到液氧上。

得益於火箭貯箱工藝技術的發展，液氧的貯存成本大幅下降，這種易於製造和儲備的氧化劑成爲商業航天的不二選擇，問題是要以何種燃料劑作爲它的搭檔。上文提到的液氫由於貯存成本過高肯定不在考慮之列，目前很多商業航天企業採用的是液氧+煤油的方案，這種搭配雖然產生的比衝值略低於液氧+液氫，但煤油的貯存方便，且易獲取，成本容易把控，液氧+煤油的方案能夠產生最大367秒的理論真空比衝值。土星5號的第一級火箭主發動機，以及SpaceX廣泛使用的“梅林”發動機就是採用這種推進劑方案。但煤油燃燒後會產生積碳，這給發動機維護帶來不少壓力。

液氧+甲烷，新興的火箭推進劑方案

那麼，在液氧+煤油之外，還有沒有其他更適於商業航天發射的推進劑呢？

這就要說起天鵲12型所採用的方案：液氧+甲烷。作爲燃料劑，甲烷擁有一大優勢：即液態溫度與液態氧非常接近，這就省去了如液氧+液氫方案那樣給燃料劑箱和氧化劑箱做隔熱的成本。而且甲烷的密度也遠高於液氫，這讓火箭能夠在同等體積下加註更多的燃料。最重要的是，甲烷本身的製備成本也低於液氫、煤油和偏二甲肼。雖然液氧+甲烷的方案所產生的動力還是要比液氧液氫低不少（液氧+甲烷產生的最大理論比衝值約爲379秒），但也已與液氧煤油推進劑在伯仲之間，加上本身綠色環保的特點，液氧+甲烷的方案順應了未來新一代運載火箭技術的發展方向。對於矢志追求降本增效的商業航天而言，液氧甲烷正在成爲新寵。

▲“朱雀二號”遙二號運載火箭升空

目前世界上的商業航天巨頭SpaceX正在全力研發大推力的“猛禽”系列液氧甲烷發動機。這是世界上亮相的第一款液氧甲烷火箭發動機，早在2012年就投入研發，2016年就開始進行全發動機試車。目前已經發展到第三代的猛禽發動機，能在真空中產生高達2530千牛的推力，真空比衝值更是達到了363秒，要知道當年勢大力沉的土星5號火箭，它所裝備的第二級液氧液氫主發動機J-2型，在這兩項的指標也不過是1202千牛和421秒。

在SpaceX之外，另一家世界商業航天頭部企業“藍色起源”也非常熱衷於液氧甲烷發動機的研發。該公司從2011年就啓動了BE-4型液氧甲烷發動機研發項目，2017年進行了首次發動機試車。根據設計要求，BE-4的真空推力將達到2400千牛，真空比衝值雖沒有官方數據，但普遍推測在340秒左右。可見這是個與“猛禽”不分伯仲的大力士。

相比於這兩位重量級選手，“藍箭航天”的天鵲12型發動機只能算是個後進生，首先天鵲12型研製工作在2017年纔開始，2019年才完成首次試車，算是世界上第三亮相的液氧甲烷火箭發動機。而且無論是“猛禽”還是BE-4，在設計之處就要求能夠重複使用。雖然都是以液氧甲烷爲推進劑，但三者的設計思路還是存在明顯差異。發動機裡的燃料劑和氧化劑是需要在燃燒室裡混合燃燒才能產生推力，那麼以什麼方式讓兩者相遇，就會劃分出不同的燃燒循環模式。

“猛禽”與BE-4都採用了“分級燃燒循環模式”，其基本原理就是：燃料劑或氧化劑預先在預燃室進行一次富燃燃燒（大量的燃料與少量氧化劑燃燒）或者富氧燃燒（大量的氧化劑和少量的燃料燃燒），燃燒產生的熱量驅動渦輪帶動泵結構輸送燃料或氧化劑。然後產生的尾氣送入主燃燒室作最終燃燒產生推力。這種模式在很大程度上提高了推進劑的利用率，從而增加了發動機的比衝量。

但這兩者也存在不同，“猛禽”採用的是最爲大膽激進的“全流量分級燃燒循環”模式。這是分級燃燒循環模式的一種，其實質就是燃料劑和氧化劑都要預先經過富燃和富氧燃燒，故而被稱爲“全流量”，這種模式將發動機推進劑的利用率達到最高，同時延長了發動機的使用壽命，但這種複雜的循環模式也帶來了結構複雜，製造工藝要求高等難題，從“猛禽”發動機漫長的研發週期就能窺見一斑。相比之下，BE-4的設計要相對保守些，採用基本的分級燃燒循環模式，也就是隻設置一個預燃室，只進行一次富氧燃燒。BE-4燃燒效率要低於“猛禽“，但研發成本和風險更加可控。不過由於種種原因，BE-4目前依舊只停留在地面試車階段。

相比“猛禽“和BE-4發動機的設計，天鵲12型採用了更爲簡單的“開式循環模式”，這種模式沒有複雜的預燃工況，只是設置一個燃氣發生器，讓部分液氧和甲烷在此燃燒產生動力驅動渦輪，再由渦輪驅動燃料泵和氧化劑泵，將液氧和甲烷直接送到主燃料室進行燃燒。與“分級燃燒循環模式”不同，燃氣發生器所產生的尾氣不再二次燃燒，而是直接當作廢氣排放掉，這顯然讓天鵲12型在推進劑利用率上存在一定的短板，但簡單的設計帶來的低成本與低風險，卻也非常契合商業航天的基本需求。雖然天鵲12型面世最晚，但研發進度最快，併成功助力朱雀二號摘得全球首個成功入軌的液氧甲烷火箭的桂冠。

降本增效的11項技術創新

“朱雀二號”的研製歷程頗爲曲折。2017年，在“藍箭航天”剛剛成立的第三年，中型液體運載火箭“朱雀二號”就正式立項，當年底就轉入方案設計階段。此後項目進展迅速，2019年，火箭的動力核心天鵲12型發動機就成功完成全系統試車，同年火箭進入初樣研製階段，2021年進入試樣研製階段。2022年遙一火箭總裝出廠。但在一切看似順利時，2022年12月14日，遙一火箭發射失敗，項目遭遇挫折。但經過藍箭航天技術人員的連續數月的故障排除，遙二火箭在今年5月順利總裝出廠，並運抵酒泉，最終在7月12日成功完成入軌。

（提示：請橫屏觀看）

朱雀二號凝聚了“藍箭航天”多年的心血。除了在液氧甲烷火箭領域裡拔得頭籌，藍箭航天還在火箭的很多細節上勇於開拓創新，大膽採用領先於國內外的新思路與新技術，將商業航天的降本增效之路推向了一個新的高度。

比如朱雀二號在國內首次採用了大推力雙低溫液體火箭發動機泵後襬技術。要理解泵後襬技術，首先要知道，在火箭升空過程中，隨着火箭質量因推進劑燃燒而下降，加之空氣逐漸稀薄，爲保證火箭運行的穩定，需要實時對飛行姿態進行調整，這就需要對發動機噴口進行相應的矢量控制，簡單來說就是要讓噴口作擺動動作。目前同行的擺動技術分爲兩類：泵前擺動和泵後襬動。所謂泵前擺動，就是把用於實現擺動動作的伺服機構放置在燃料泵與氧化劑泵前，實際上是讓泵和主燃燒室等發動機主體結構跟着噴口一併擺動，而推進劑則通過可隨伺服機構擺動的軟管進入泵結構中。而泵後襬動，就是把伺服機構放在主燃燒室之前，推進劑通過固定硬管進泵。由於需要帶着泵結構和主燃燒室一起“搖擺搖擺“，泵前搖擺要比泵後搖擺需要更大更重的伺服機構，這將佔用本來就寸土寸金的箭體空間，顯然不利於火箭減重。

▲採用泵後襬技術的天鵲-12型發動機正在進行矢量控制試驗

值得一提的是，朱雀二號作爲兩級火箭，在第一級配備了四臺天鵲12型發動機，全部採用泵後搖擺結構。而第二級則配備一臺天鵲12型，以及一臺推力稍小的天鵲11型作爲遊動發動機（簡稱“遊機“），所謂遊機主要是作爲主發動機的輔助動力，同時通過擺動噴口來進行二級火箭的姿態控制與末速修正，擁有四個噴口的天鵲11同樣採用泵後襬技術，而那臺主發動機則採用固定模式。這樣的發動機組合模式效能頗高，但在去年12月朱雀二號首次發射時，正是因爲作爲遊機的天鵲11出現故障，最終在距離成功僅臨門一腳之際，未能達到最低入軌速度而折戟。

除此之外，在結構設計上，朱雀二號還在國內首創了液氧甲烷自生增壓技術，在增加推進劑容量的同時，減輕了火箭的重量，進一步降低了發射成本。高精度高壓低溫調節器及低溫彈簧蓄能動密封技術，則提高了液氧甲烷發動機的安全性與可靠性，同時壓縮了生產成本。並通過轉級控制技術實現了發動機的故障診斷，讓火箭在發射伊始進行健康自檢，大大提高了發射成功率。此外，大型噴管激光焊接技術、發動機推力調節技術，控制系統半實物仿真技術等共11項技術創新，全方位保障了本次朱雀二號遙二號火箭的成功入軌。

在中國古代神話傳說中，朱雀作爲天上的靈獸，具有浴火重生的能力。而朱雀二號的命運似乎與其名相呼應，儘管第一次發射失敗了，但藍箭航天的上上下下頂住了壓力，總結經驗，勇毅前行，最終迎來“朱雀二號”的重生。此次發射成功的背後，是技術創新在提供的強大後盾，而在技術創新背後，則是中國商業航天人的拼搏精神所提供的不竭動力。

出品：科普中央廚房

監製：北京科技報 | 北科傳媒

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