破晓时刻！液氧甲烷火箭全球首次成功发射

7月12日9时许，中国民营航天企业蓝箭航天的朱雀二号遥二火箭从酒泉卫星发射中心点火升空，发射任务取得圆满成功，成为世界上首款成功将载荷送入预定轨道的液氧甲烷火箭，标志着近年热门的“液氧甲烷潮流”向着实用化迈出了坚实的第一步。

那么火箭选择液氧甲烷推进剂有哪些好处？液氧甲烷火箭又具备怎样的应用前景呢？

从灶台到火箭

虽然液氧甲烷火箭发动机的实用化历程在近年逐渐引发关注，但其“萌芽”的年代却相当早。1931年3月，德国火箭先驱约翰内斯·温克勒主持发射了人类第一枚液氧甲烷火箭——“休克尔-温克勒一号”。该火箭与如今的后辈“长相”区别很大，燃料储存于管内，唯一的发动机位于火箭中央。可惜该火箭仅飞到约60米高度，在那个年代也找不到实用价值，因此没能掀起波澜。

20世纪中期，太空时代来临，液体火箭迎来大发展。不过，当时液体火箭发动机选择煤油、液氢等作为主要燃料，甲烷仍然“缺席”，这与其产业技术水平、应用范围是密切相关的。

甲烷是天然气的主要成分。虽然天然气很早就被发现了，但在20世纪大多数时间里没能受到能源市场的足够重视。这主要是由于天然气液化技术成熟较晚，工业化处理能力不足，使用成本较高，自然很难作为航天燃料的廉价选择。

随着技术进步和需求变化，天然气在能源交易中的占比越来越大：1970年，受限于液化技术等，全球天然气贸易量仅有30亿立方米；到了2021年，这个数字已经超过1万亿立方米。日本、欧盟等逐渐以天然气作为主要能源，天然气提炼、处理、存储等技术更加成熟，助推甲烷应用场景更加多样化。

随着天然气被送入千家万户的厨房灶台和工厂机组，其燃烧效率高、绿色环保、成本低、易制取等优点日益突出，甲烷也逐渐成为火箭发动机科研人员无法忽视的燃料选项。事实上，某些优质气田生产的天然气品质极好，经过液化处理后，不必额外进行提纯等步骤，就可以直接作为火箭发动机的燃料。

20世纪60年代，美国航天企业开始进行含甲烷火箭燃料实用化的早期探索，在液氧甲烷推进剂的制备、应用上积累了相当丰富的经验。20世纪80年代，我国也开展了含甲烷火箭燃料发动机的预究工作，先后进行了甲烷、丙烷的电传热试验和推力室点火试验，取得了初步成果。众多航天动力研究单位积累了大量研究成果和经验，为液氧甲烷发动机飞天打下了坚实基础。此外，欧空局、俄罗斯、印度等国也在进行液氧甲烷发动机的研究工作，但目前均未造出实用化发动机型号，研究尚处于比较初级的阶段。

动力“新宠”优点多

虽然各国航天对于含甲烷火箭燃料的研究工作开展得较早，但是由于种种限制和考量，整个20世纪里，液氧甲烷发动机都没能推动火箭入轨发射，而是保持着技术验证和探索者的身份，默默无闻。

直到21世纪20年代，在经过半个多世纪的技术沉淀后，液氧甲烷发动机终于抵达实用化阶段的“门槛”。几乎与此同时，可回收复用火箭技术逐渐成熟，促使液氧甲烷推进剂扬长避短，成为未来火箭动力的“新宠”。

在推进剂性能方面，液氧甲烷对比传统的液氧煤油各有优劣。在密度上，在相同设计条件下，液氧甲烷的组合密度比液氧煤油低20%左右，意味着液态甲烷的能量密度不如液氧煤油；而在比冲上，甲烷的理论比冲值比煤油略高3%，但比冲很容易受到诸如发动机循环方式等因素影响，因此煤油与甲烷的比冲可以说是基本相同的；在冷却效果上，甲烷展现出作为低温燃料的优势，得益于比热容指标，其综合冷却能力是煤油的3倍以上，并且作为含碳燃料，不易结焦积碳，这对于发动机实际使用效果来说更加“友好”。

在发动机维护性上，甲烷则有天生的优势。如今，可回收复用火箭成为大势所趋，液氧煤油火箭在回收后必须对发动机进行彻底清洗才能继续使用，而液态甲烷为强挥发性燃料，液氧甲烷发动机由此显著减轻了后勤维护工作量。

在火箭储箱等结构设计上，甲烷燃料的使用也给火箭带来了非常积极的影响。液氧作为氧化剂，沸点约为零下183摄氏度，甲烷作为还原剂，沸点约为零下161摄氏度，两者较为接近，远远不像液氧和液氢那样沸点温差悬殊。因此，选择清洁燃料时，液氧甲烷火箭便于使用低温推进剂共底储箱，从而有效降低储箱重量，缩短长度，促使火箭箭体减重，增强运载能力，还可以弥补在组合密度上的劣势。此外，甲烷的可挥发性强，因此储箱可以采用自生增压设计，进一步助力高效减重。

综上所述，液氧甲烷发动机性能强大，使用成本低廉，综合特性非常适合可回收复用火箭技术的发展潮流，成为新时代火箭的“宠儿”也就不足为奇了。

厚积薄发攀高峰

本次任务是朱雀二号火箭第二次发射，其首次发射在去年12月14日进行，遗憾的是，在火箭第二级飞行过程中，发动机管道破裂，导致游机出现异常，载荷未能入轨。今年上半年，国外已有两款液氧甲烷火箭挑战首飞入轨，即美国相对论空间公司的人族一号火箭和SpaceX公司的“星舰”，可惜均未成功。朱雀二号火箭团队及时归零故障，改进后收获成功，殊为不易。

据公开资料显示，我国蓝箭航天、九州云箭、星际荣耀、宇航推进等多家民营航天企业正在开展液氧甲烷火箭及发动机的开发工作，陆续取得了比较可观的成果，其中进展最快的就是蓝箭航天。

该公司研发的“天鹊-12”是国内首款投入使用的液氧甲烷发动机，采用燃气发生器循环，海平面推力为67吨，海平面比冲达286秒，真空推力80吨，真空比冲可达337秒，室压约为10兆帕。

朱雀二号火箭第一级安装有4台“天鹊-12”，起飞推力可达268吨。而蓝箭航天还在持续改进这款发动机，新型号“天鹊-12A”未来有望在朱雀二号火箭第一级上亮相。

当前，朱雀二号火箭第二级安装有单台“天鹊-12”和“天鹊-11”10吨级液氧甲烷游动发动机。其中，第二级的“天鹊-12”与第一级发动机状态相同，并未进行真空优化。未来，朱雀二号火箭将取消游机，取而代之的是“天鹊-15A”80吨级可变推力泵前摆液氧甲烷发动机，可以认为是“天鹊-12A”的真空优化改进版。未来，“天鹊-12A”和“天鹊-15A”成功应用后，朱雀二号火箭有望在降低成本的同时进一步提升运力，满足更多类型的发射需求，适应未来商业化航天发射市场需求。

与此同时，我国航天“国家队”也在努力推进更高水平的液氧甲烷火箭发动机研发工作，至少有80吨级、200吨级等液氧甲烷发动机正在稳步测试中，将成为我国未来大中型火箭的优先动力选择。

放眼全球，国外多款液氧甲烷火箭正在研制中，或在加紧推进发动机试车，或已开始紧锣密鼓地整箭组装测试，一些型号的性能指标很高。比如，蓝色起源公司的BE-4发动机海平面推力达到240吨，号称可重复使用100次；SpaceX公司更是放出了“争取使猛禽发动机推力超过270吨，使‘星舰’起飞推力突破9000吨”的豪言壮语。面对可回收复用火箭和液氧甲烷发动机的蓬勃大潮，相信我国航天人将及时追踪行业动态，结合自身条件和实际需求，推动液氧甲烷火箭及发动机水平迈上新台阶。（作者：石晓龙）