全球首枚！“朱雀”发射成功！为什么选择液氧甲烷？

一枚中国民营运载火箭创造了历史。

7月12日上午，由蓝箭航天空间科技股份有限公司自主研制的朱雀二号遥二液氧甲烷运载火箭在酒泉卫星发射中心发射升空，火箭进入预定轨道，试验任务取得圆满成功。

朱雀二号是全球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭，标志着我国运载火箭在新型低成本液体推进剂应用方面取得突破。

世界第一发成功入轨的液氧甲烷火箭

朱雀二号遥二运载火箭以液氧甲烷为推进剂，呈两级构型，箭体直径3.35米，全箭高度49.5米，起飞重量219吨，起飞推力268吨。整流罩最大直径3.35米，全长8.237米。火箭一级采用4台天鹊80吨级液氧甲烷发动机并联，二级采用1台天鹊80吨级液氧甲烷发动机和1台天鹊10吨级游动液氧甲烷发动机组合而成。

蓝箭航天创始人张昌武介绍称，液氧甲烷推进剂不仅容易获取，也更有利于火箭的回收复用。在开发液氧甲烷火箭的过程中，团队发现液氧甲烷在可重复使用火箭中的优势甚至超过预期，可带来显著的经济效益。

外界注意到，中国民营航天企业多数选择固体运载火箭的技术路线，蓝箭航天在创立之初就将液氧甲烷火箭定为发展方向。

谈及为何另辟蹊径，张昌武坦言，过去几十年里，中国航天“国家队”在液氧煤油、液氢液氧发动机研制上做了很多努力，相应的火箭型号已经相当成熟。液氧甲烷火箭被视为下一代火箭的开发方向，中国需要这样一款新的火箭型号，民营航天企业有责任、有需要走出一条新的道路，并建立自己的竞争力。

朱雀二号火箭使用的是蓝箭航天自主研制的天鹊系列液氧甲烷发动机。围绕发动机研制与火箭制造，蓝箭航天建设了湖州热试车中心和嘉兴蓝箭航天中心，打造自身的火箭交付能力。

这是全球首款成功入轨飞行的液氧甲烷火箭，标志着中国运载火箭在新型低成本液体推进剂应用方面取得重大突破。此次任务成功验证了朱雀二号火箭各系统方案，为下阶段的可复用火箭研制打下坚实基础。

液氧甲烷推进剂有哪些好处?

近年来，液氧甲烷发动机成为航天新宠，国际上不少商业航天企业都在布局这一赛道，比如今年首飞失利的SpaceX(美国太空探索技术公司)“星舟”、美国“相对航天公司”的“人族一号”火箭均采用了液氧甲烷发动机。

事实上液氧甲烷发动机“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”。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。

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。

来源：新华网、中国新闻网、中国航天报