​发射火箭，为什么液氧甲烷更具优势？

2023年7月12日早上9时，位于大漠深处的酒泉卫星发射基地液氧甲烷发射工位，一个纤巧的身影从发射架上腾空而起，在升腾的烟雾中如离弦之箭冲入云霄。在火箭发射指挥控制中心内，所有工作人员的目光都目不转睛地注视着它拖着尾焰，消失在蓝色天际中。不久，一句 “朱雀二号发射成功”的宣布声犹如一颗炸雷，打破了这略显压抑的宁静，热烈的鼓掌声响彻整个控制室。

▲蓝箭航天朱雀二号运载火箭发射指挥中心（摄影：任孝鹏）

在这个骄阳似火的夏日，这枚名叫“朱雀二号”遥二的中型运载火箭绝对是酒泉卫星发射中心最亮的明星。它是我国民营航天企业“蓝箭航天”的得意之作。从点火到成功将卫星送入预定轨道，“朱雀二号”用了760.88秒的时间。而这760.88秒的背后，则是从7月6日火箭完成转运与起竖工作至今100多个小时的奋战，是从5月4日火箭从嘉兴的火箭制造基地出征后至今67个日夜的努力，更是从去年12月14日朱雀二号遥一号火箭发射失败后至今长达7个月的等待。“朱雀二号”遥二号这次成功发射，完成了一次不仅属于 “蓝箭航天”，更属于整个中国商业航天的跨越。

液态火箭才是王道

49.5米的身高，219吨的起飞质量，朱雀二号作为一款中型运载火箭，乍一看上去并无多少亮眼之处，但实际上，朱雀二号在国内外商业航天界绝对是一款划时代的产品。▲“朱雀二号”遥二号运载火箭

首先，遥二火箭的成功发射本身就创造了一项世界记录：它是世界首款成功发射入轨的液氧甲烷运载火箭。注意这里的关键词：“液氧甲烷”，这就要从为朱雀二号提供强大动力的“天鹊”系列火箭发动机说起了。从原理上来讲，火箭实际就是利用自身携带的推进剂发生反应，产生高速喷射的热气流来推进的动力装置。对于以空间运输为主要任务的运载火箭而言，其发动机有四种主流推进剂方案可供选择：固体燃料、四氧化二氮/偏二甲肼、液氧煤油和液氧液氢。首先是固体推进剂方案，这应该算是历史最悠久的火箭动力燃料了，古代用黑火药作为燃料的原始火箭就属于固体火箭的一种。这种推进剂的优点是易于长期贮存，能够应对突发情况，技术简单等。但短板也是非常明显，比如比冲小、推力不可调等。这里就涉及到一个关键概念：比冲，即单位推进剂的量所产生的冲量，单位是秒（s）。可以理解为一个单位质量的推进剂产生一个单位的推力能够持续的时间，这是衡量火箭发动机动力的重要参数，一般而言，比冲值越大，就表明火箭的动力性能越优越。显然，比冲值普遍较小的固体火箭难以担当运载火箭发射的重任，只能作为辅助动力登场。比如航天飞机发射时配备的两枚白色助推火箭就是使用了固体推进剂。而如今主流的运载火箭的主发动机基本都是采用液体推进剂方案，与固体推进剂不同，这类方案中推进剂分为液态燃料和液态氧化剂两类，他们在运载火箭发动机上一般是分别贮存在两个空间中，在进入燃烧室后激烈反应后产生推力。在所有液体推进剂方案中，液氧是最为悠久的氧化剂，1926年人类历史上第一枚液体燃料火箭就使用了液氧（氧化剂）+汽油（燃料剂）的方案，同时也是最为高效廉价的氧化剂，很多主流运载火箭的主力发动机都采用液氧为氧化剂，不同是与之搭配的燃烧剂。这其中液氧+煤油、液氧+液氢是应用最广泛的搭配方案。

▲SpaceX位于肯尼迪航天发射中心的液氧储罐（图片来源：SpaceX）

我们知道，氢气的燃烧能量惊人，每克氢气充分燃烧后能够释放约141千焦的能量，这让它雄居人类已知燃料剂能量榜榜首。从最大程度提升火箭动力的角度来看，液氧与液氢是最佳选择，他们能够让发动机产生最高463.1秒的理论真空比冲值。当年运载阿波罗登月飞船的土星5号超重型火箭的第一级与第二级发动机，以及拥有人类最大推力的前苏联能源号火箭主发动机就采用了液氢液氧推进剂。当然这种推进剂方案也有明显的缺点：液氢液氧本身就需要在低温状态下贮存，而液氧的温度又比液氢高，加上液氢本身占据的空间就大，这就导致火箭燃料箱与氧化剂箱的设计非常复杂，由此带来的高昂成本基本把将重视节约的商业航天拒之门外。在液氧之外，人们还曾尝试用四氧化二氮作为氧化剂，搭配偏二甲肼作为燃料剂，比如用于运送神舟系列载人飞船的长征-2F型火箭，以及俄罗斯的质子M火箭，这类推进剂可以实现常温保存，但四氧化二氮有剧毒，且本身的制备成本很高，搭配偏二甲肼后产生的最大理论真空比冲值约在347秒,相比其他液体推进剂方案并无明显优势，对于商业航天而言也不是理想的选择。要想实现高性价比的发射，商业运载火箭还是要回归到液氧上。得益于火箭贮箱工艺技术的发展，液氧的贮存成本大幅下降，这种易于制造和储备的氧化剂成为商业航天的不二选择，问题是要以何种燃料剂作为它的搭档。上文提到的液氢由于贮存成本过高肯定不在考虑之列，目前很多商业航天企业采用的是液氧+煤油的方案，这种搭配虽然产生的比冲值略低于液氧+液氢，但煤油的贮存方便，且易获取，成本容易把控，液氧+煤油的方案能够产生最大367秒的理论真空比冲值。土星5号的第一级火箭主发动机，以及SpaceX广泛使用的“梅林”发动机就是采用这种推进剂方案。但煤油燃烧后会产生积碳，这给发动机维护带来不少压力。

液氧+甲烷，新兴的火箭推进剂方案

那么，在液氧+煤油之外，还有没有其他更适于商业航天发射的推进剂呢？这就要说起天鹊12型所采用的方案：液氧+甲烷。作为燃料剂，甲烷拥有一大优势：即液态温度与液态氧非常接近，这就省去了如液氧+液氢方案那样给燃料剂箱和氧化剂箱做隔热的成本。而且甲烷的密度也远高于液氢，这让火箭能够在同等体积下加注更多的燃料。最重要的是，甲烷本身的制备成本也低于液氢、煤油和偏二甲肼。虽然液氧+甲烷的方案所产生的动力还是要比液氧液氢低不少（液氧+甲烷产生的最大理论比冲值约为379秒），但也已与液氧煤油推进剂在伯仲之间，加上本身绿色环保的特点，液氧+甲烷的方案顺应了未来新一代运载火箭技术的发展方向。对于矢志追求降本增效的商业航天而言，液氧甲烷正在成为新宠。

▲“朱雀二号”遥二号运载火箭升空

目前世界上的商业航天巨头SpaceX正在全力研发大推力的“猛禽”系列液氧甲烷发动机。这是世界上亮相的第一款液氧甲烷火箭发动机，早在2012年就投入研发，2016年就开始进行全发动机试车。目前已经发展到第三代的猛禽发动机，能在真空中产生高达2530千牛的推力，真空比冲值更是达到了363秒，要知道当年势大力沉的土星5号火箭，它所装备的第二级液氧液氢主发动机J-2型，在这两项的指标也不过是1202千牛和421秒。

▲SpaceX研发的两款液体火箭发动机，右为采用全流量分级燃烧循环模式的“猛禽”，左为采用开式循环的“梅林（图片来源：推特）

在SpaceX之外，另一家世界商业航天头部企业“蓝色起源”也非常热衷于液氧甲烷发动机的研发。该公司从2011年就启动了BE-4型液氧甲烷发动机研发项目，2017年进行了首次发动机试车。根据设计要求，BE-4的真空推力将达到2400千牛，真空比冲值虽没有官方数据，但普遍推测在340秒左右。可见这是个与“猛禽”不分伯仲的大力士。

相比于这两位重量级选手，“蓝箭航天”的天鹊12型发动机只能算是个后进生，首先天鹊12型研制工作在2017年才开始，2019年才完成首次试车，算是世界上第三亮相的液氧甲烷火箭发动机。而且无论是“猛禽”还是BE-4，在设计之处就要求能够重复使用。虽然都是以液氧甲烷为推进剂，但三者的设计思路还是存在明显差异。发动机里的燃料剂和氧化剂是需要在燃烧室里混合燃烧才能产生推力，那么以什么方式让两者相遇，就会划分出不同的燃烧循环模式。

“猛禽”与BE-4都采用了“分级燃烧循环模式”，其基本原理就是：燃料剂或氧化剂预先在预燃室进行一次富燃燃烧（大量的燃料与少量氧化剂燃烧）或者富氧燃烧（大量的氧化剂和少量的燃料燃烧），燃烧产生的热量驱动涡轮带动泵结构输送燃料或氧化剂。然后产生的尾气送入主燃烧室作最终燃烧产生推力。这种模式在很大程度上提高了推进剂的利用率，从而增加了发动机的比冲量。但这两者也存在不同，“猛禽”采用的是最为大胆激进的“全流量分级燃烧循环”模式。这是分级燃烧循环模式的一种，其实质就是燃料剂和氧化剂都要预先经过富燃和富氧燃烧，故而被称为“全流量”，这种模式将发动机推进剂的利用率达到最高，同时延长了发动机的使用寿命，但这种复杂的循环模式也带来了结构复杂，制造工艺要求高等难题，从“猛禽”发动机漫长的研发周期就能窥见一斑。

相比之下，BE-4的设计要相对保守些，采用基本的分级燃烧循环模式，也就是只设置一个预燃室，只进行一次富氧燃烧。BE-4燃烧效率要低于“猛禽“，但研发成本和风险更加可控。不过由于种种原因，BE-4目前依旧只停留在地面试车阶段。相比“猛禽“和BE-4发动机的设计，天鹊12型采用了更为简单的“开式循环模式”，这种模式没有复杂的预燃工况，只是设置一个燃气发生器，让部分液氧和甲烷在此燃烧产生动力驱动涡轮，再由涡轮驱动燃料泵和氧化剂泵，将液氧和甲烷直接送到主燃料室进行燃烧。与“分级燃烧循环模式”不同，燃气发生器所产生的尾气不再二次燃烧，而是直接当作废气排放掉，这显然让天鹊12型在推进剂利用率上存在一定的短板，但简单的设计带来的低成本与低风险，却也非常契合商业航天的基本需求。虽然天鹊12型面世最晚，但研发进度最快，并成功助力朱雀二号摘得全球首个成功入轨的液氧甲烷火箭的桂冠。

▲几种液体火箭发动机工作模式示意图（图片来源：flownex.com）

降本增效的11项技术创新

“朱雀二号”的研制历程颇为曲折。2017年，在“蓝箭航天”刚刚成立的第三年，中型液体运载火箭“朱雀二号”就正式立项，当年底就转入方案设计阶段。此后项目进展迅速，2019年，火箭的动力核心天鹊12型发动机就成功完成全系统试车，同年火箭进入初样研制阶段，2021年进入试样研制阶段。2022年遥一火箭总装出厂。但在一切看似顺利时，2022年12月14日，遥一火箭发射失败，项目遭遇挫折。但经过蓝箭航天技术人员的连续数月的故障排除，遥二火箭在今年5月顺利总装出厂，并运抵酒泉，最终在7月12日成功完成入轨。（提示：请横屏观看）

（长图制作：编辑任孝鹏、设计李利峰）

朱雀二号凝聚了“蓝箭航天”多年的心血。除了在液氧甲烷火箭领域里拔得头筹，蓝箭航天还在火箭的很多细节上勇于开拓创新，大胆采用领先于国内外的新思路与新技术，将商业航天的降本增效之路推向了一个新的高度。比如朱雀二号在国内首次采用了大推力双低温液体火箭发动机泵后摆技术。要理解泵后摆技术，首先要知道，在火箭升空过程中，随着火箭质量因推进剂燃烧而下降，加之空气逐渐稀薄，为保证火箭运行的稳定，需要实时对飞行姿态进行调整，这就需要对发动机喷口进行相应的矢量控制，简单来说就是要让喷口作摆动动作。

目前同行的摆动技术分为两类：泵前摆动和泵后摆动。所谓泵前摆动，就是把用于实现摆动动作的伺服机构放置在燃料泵与氧化剂泵前，实际上是让泵和主燃烧室等发动机主体结构跟着喷口一并摆动，而推进剂则通过可随伺服机构摆动的软管进入泵结构中。而泵后摆动，就是把伺服机构放在主燃烧室之前，推进剂通过固定硬管进泵。由于需要带着泵结构和主燃烧室一起“摇摆摇摆“，泵前摇摆要比泵后摇摆需要更大更重的伺服机构，这将占用本来就寸土寸金的箭体空间，显然不利于火箭减重。

▲采用泵后摆技术的天鹊-12型发动机正在进行矢量控制试验

值得一提的是，朱雀二号作为两级火箭，在第一级配备了四台天鹊12型发动机，全部采用泵后摇摆结构。而第二级则配备一台天鹊12型，以及一台推力稍小的天鹊11型作为游动发动机（简称“游机“），所谓游机主要是作为主发动机的辅助动力，同时通过摆动喷口来进行二级火箭的姿态控制与末速修正，拥有四个喷口的天鹊11同样采用泵后摆技术，而那台主发动机则采用固定模式。这样的发动机组合模式效能颇高，但在去年12月朱雀二号首次发射时，正是因为作为游机的天鹊11出现故障，最终在距离成功仅临门一脚之际，未能达到最低入轨速度而折戟。

除此之外，在结构设计上，朱雀二号还在国内首创了液氧甲烷自生增压技术，在增加推进剂容量的同时，减轻了火箭的重量，进一步降低了发射成本。高精度高压低温调节器及低温弹簧蓄能动密封技术，则提高了液氧甲烷发动机的安全性与可靠性，同时压缩了生产成本。并通过转级控制技术实现了发动机的故障诊断，让火箭在发射伊始进行健康自检，大大提高了发射成功率。此外，大型喷管激光焊接技术、发动机推力调节技术，控制系统半实物仿真技术等共11项技术创新，全方位保障了本次朱雀二号遥二号火箭的成功入轨。

在中国古代神话传说中，朱雀作为天上的灵兽，具有浴火重生的能力。而朱雀二号的命运似乎与其名相呼应，尽管第一次发射失败了，但蓝箭航天的上上下下顶住了压力，总结经验，勇毅前行，最终迎来“朱雀二号”的重生。此次发射成功的背后，是技术创新在提供的强大后盾，而在技术创新背后，则是中国商业航天人的拼搏精神所提供的不竭动力。

来源：北京科技报