看過來，這款火箭不一般！

出品：科普中國(guó)

作者：寒木釣萌（科普創(chuàng)作者）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

對(duì)于我國(guó)這樣的航天大國(guó)來說，每年都會(huì)有很多枚火箭成功發(fā)射，這已經(jīng)成為我國(guó)航天領(lǐng)域的“家常便飯”。

然而，在2023年7月12日成功發(fā)射的朱雀二號(hào)遙二火箭卻引起了人們的熱議。這到底是為什么呢？

朱雀二號(hào)遙二運(yùn)載火箭在我國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空

（圖片來源：新華社）

液氧甲烷火箭：各國(guó)航天的新嘗試

原來，這是世界上第一款將載荷成功送入預(yù)定軌道的液氧甲烷火箭。

研制液氧甲烷火箭的國(guó)家可不止中國(guó)，其他大國(guó)也在緊鑼密鼓地研制中。例如，今年上半年，美國(guó)就有兩家公司發(fā)射了兩款液氧甲烷火箭，分別是人族一號(hào)火箭和“星艦”。

“人族一號(hào)”液氧甲烷運(yùn)載火箭

（圖片來源：光明網(wǎng)）

只是，美國(guó)這兩款火箭的發(fā)射都沒有獲得成功。

到這里，你可能會(huì)產(chǎn)生這樣的疑問：都已經(jīng)有液氧煤油和液氧液氫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)了，為什么現(xiàn)在中美兩國(guó)都要快馬加鞭地研制液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)呢？

如果液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)這般好，那為什么一開始不去研制？或者數(shù)十年前，在研制液氧液氫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)前，為什么不首先研制液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)？

液氧煤油與液氧液氫有何優(yōu)勢(shì)？

第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，德國(guó)的V-2火箭，其使用的是液氧乙醇作為推進(jìn)劑，乙醇也就是我們常說的酒精。

作為燃料，含水的酒精性能顯然不行。二戰(zhàn)后，各國(guó)開始研制新的液體推進(jìn)劑。

于是，液氧煤油和液氧液氫這兩條路線便誕生了，這兩條路線目前都獲得了成功。

一種精煉的煤油“RP-1”，火箭燃料

（圖片來源：Maxhaot）

之所以一開始選擇煤油而不是甲烷，是因?yàn)?strong>那時(shí)的煤油已經(jīng)很常見，且使用量大。而全球天然氣的大規(guī)模使用，是最近幾十年才有的事。

從成本上來說，也必然選擇煤油，而不是甲烷。即使歷史重新來過，科學(xué)家們也依然會(huì)選擇煤油，而不是技術(shù)要求更高，且獲取成本較大的液氧甲烷。

于是，二戰(zhàn)后到現(xiàn)在，液氧煤油和液氧液氫兩種路線都得到了充分的發(fā)展。探索到兩條合適的路線后，人們也不必再去尋找其他路線了。

液氧甲烷：讓回收火箭變得更容易

既然液氧煤油與液氧液氫有著如此多的優(yōu)勢(shì)，人們現(xiàn)在為什么還要上馬液氧甲烷路線呢？

因?yàn)槿祟悓?duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的要求大幅提高了。

之前，科學(xué)家們只要保證火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用一次就好，成功使用一次后，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)怎樣都可以，反正都是掉在地上或者掉入大海。

但現(xiàn)在，人類希望火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能重復(fù)使用10次以上，甚至達(dá)到100次。此時(shí)，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)就有點(diǎn)兒不太合適了，因?yàn)槊河腿紵龝r(shí)會(huì)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部造成積碳結(jié)焦，繼而為重復(fù)使用帶來很大困難。

當(dāng)前，液氧煤油火箭在回收后必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行徹底清洗才能繼續(xù)使用。

使用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)來展示積碳，當(dāng)然，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)積碳不可能這么嚴(yán)重

（圖片來源：KINGKAR）

液氧甲烷卻不同，它是強(qiáng)揮發(fā)性燃料。使用后，這種燃料在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的殘留物極為稀少，這為可回收火箭減輕了很大的后勤維護(hù)工作量。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃?xì)鉁囟茸畲髸r(shí)可超過3300攝氏度，這超過了絕大多數(shù)金屬材料的熔點(diǎn)。

為避免發(fā)動(dòng)機(jī)高溫受損，需要對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻。冷卻方法多種多樣，目前的主流方法是“再生冷卻”，就是使用燃料冷卻。

液氧溫度在零下183攝氏度左右，看似超低溫，最適合作為冷卻劑，然而由于氧的高度活性，它極容易與金屬或者組成火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的其他材料發(fā)生反應(yīng)。

所以，人們一般不使用液氧作為冷卻劑，而是使用燃料作為冷卻劑。具體來說就是一部分燃料先到發(fā)動(dòng)機(jī)噴管周圍走一個(gè)來回，這必然會(huì)帶走巨量的熱量，從而起到了給火箭發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的效果。

“天鵲”80噸液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)

（圖片來源：人民網(wǎng)）

常溫煤油和液態(tài)甲烷比起來，必然是后者更好，因?yàn)槠涫橇阆?62攝氏度左右的低溫，冷卻效果立馬提升3倍以上。

也就是說，為了讓火箭能重復(fù)使用，需要對(duì)其進(jìn)行最高效率的冷卻，而在冷卻上，液氧甲烷的效果比液氧煤油要好得多。

液氧液氫：為什么不選我？

通過以上分析，我們知道了，液氧煤油容易積碳結(jié)焦，而液氧甲烷卻不會(huì)。但問題又來了，液氧液氫也不會(huì)積碳結(jié)焦呀，為什么不用液氧液氫呢？而且再生冷卻時(shí)，液氫溫度更低，冷卻效果豈不是比液態(tài)甲烷更好？

沒錯(cuò)，以上說法都是說得通的，但是液氫實(shí)際上存在著很多難以克服的問題。

其中一個(gè)問題是：跟液氧甲烷比起來，液氫的密度太低了，結(jié)果就是體積太大。另一個(gè)問題就是液氫的溫度實(shí)在是太低了，零下252.8攝氏度，處理這么低的溫度，難度太大，繼而成本很高。

航天飛機(jī)下那個(gè)棕色大箱子，名叫外儲(chǔ)箱。里面占據(jù)絕大部分體積的是液氫

（圖片來源：NASA）

不僅如此，液氧溫度只有零下183攝氏度左右，而液氫是零下252.8攝氏度，兩者溫度相差了大約70攝氏度。所以，火箭上儲(chǔ)存液氧和液氫的兩個(gè)箱子需要做好隔絕措施，否則液氫可能會(huì)把液氧凍成固體。

如果使用液氧煤油，也需要做好隔離，否則液氧也會(huì)把煤油凍成固體。

此時(shí)，就能體現(xiàn)液氧甲烷的優(yōu)越性了，因?yàn)槠涓貉鯗囟认嘟挥脫?dān)心誰把誰凍成固體的問題。

于是，本來是兩個(gè)分離開來的箱子，一個(gè)裝液氧，一個(gè)裝煤油。但現(xiàn)在做成一個(gè)大箱子即可，只要在這個(gè)大箱子的中間多出一塊隔板，一邊裝著液態(tài)氧，另一邊裝著液態(tài)甲烷，這種結(jié)構(gòu)就叫作“共底儲(chǔ)箱”。

毫無疑問，共底儲(chǔ)箱能有效降低儲(chǔ)箱重量，并縮短儲(chǔ)箱長(zhǎng)度，繼而減少火箭重量，增強(qiáng)運(yùn)載能力。

到這里謎底全部揭開，相比于液氧煤油和液氧液氫，液氧甲烷著實(shí)優(yōu)點(diǎn)多多。隨著各個(gè)國(guó)家對(duì)于火箭要求的日益提高，研制液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)也逐漸成為了航天科研領(lǐng)域的一大重點(diǎn)。