火箭发动机为何偏爱甲烷

近日，美国SpaceX公司发布视频显示，最新“星舰”S25和第一级B9已完成合体，矗立在发射台上。预计不久后，“星舰”组合体将进行第二次飞行测试。

整个“星舰”组合体共搭载了39台发动机，其中第一级安装了33台，第二级搭载了6台，均使用以液氧甲烷为推进剂的“猛禽”发动机，而不是当下较为主流的液氢液氧或液氧煤油发动机，其主要原因是液氧甲烷发动机具有几个显著优点。

甲烷是民众家中使用燃气的主要成分，老百姓家家都用，价格自然不会太高。提纯至航天燃料的液体甲烷价格是液氢的几十分之一，相比煤油也更加便宜。对于像“星舰”这样未来具备高发射频次能力的火箭来说，用甲烷显然能节省大量成本。

其次，甲烷的沸点为零下161.5摄氏度，而液氧的沸点约为零下183摄氏度，两者接近，因此可以采用共底储罐。在降低工艺成本的同时，还能简化火箭的箭体结构，降低死重。

在SpaceX公司的计划中，“星舰”组合体未来将作为一款“宇宙穿梭机”，频繁在地球和太空间往返运行。这要求“星舰”具有快速发射和快速回收的能力。相比之下，以液氢液氧为推进剂的发动机因为技术要求高、工艺复杂、价格高昂，在现有技术条件下很难实现重复使用。

猎鹰9火箭使用的梅林液氧煤油发动机虽然可以重复使用，但是以液氧煤油为推进剂的航天发动机容易结焦积碳，回收后需要对其进行清洗才能再次使用。而为了便于清理，“梅林”只能妥协采用较为简单的开式循环技术路线，这又降低了发动机的推进效率，从而影响了火箭的整体性能。

而使用液氧甲烷的猛禽发动机则能很好地解决以上两种问题。它的循环系统非常先进，但技术工艺并不复杂。每台价格低于100万美元，适合大量建造。甲烷又不易结焦积碳，回收后无需特别清洗，因此非常适合快速发射任务。

在人类探索的太空深处，以我们最熟悉的月球和火星为例，火星的平均温度为零下50摄氏度左右，而月球夜晚温度则可低至零下180摄氏度。在这样的温度条件下，煤油更容易冻住，而液氧却会沸腾。为保持两种推进剂的工作温度，就需要更复杂的燃料温控技术，而甲烷却天然比较适应深空的温度条件，无需特别复杂的温控手段。

更重要的一点，马斯克最大的航天理想就是载人登陆火星，而甲烷可以利用火星上的二氧化碳和水直接制备。其制作和使用难度综合比较下来，要远低于另外两种推进剂，使人类来往于地火之间成为可能。

综上所述，液氧甲烷发动机以其综合成本低、适合复用、适应深空环境等特点，成了“星舰”组合体唯一的火箭发动机。（作者：阜雅）

本文首发于《中国航天报·飞天科普周刊》