全球首枚液氧甲烷運載火箭發射成功
文章來源： 更新時間：2023-07-14 10:48:40
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一枚中國民營運載火箭創造了歷史。
7月12日上午，由藍箭航天空間科技股份有限公司自主研制的朱雀二號遙二液氧甲烷運載火箭在酒泉衛星發射中心發射升空，火箭進入預定軌道，試驗任務取得圓滿成功。
朱雀二號是全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭，標志著我國運載火箭在新型低成本液體推進劑應用方面取得突破。
世界第一發成功入軌的液氧甲烷火箭
朱雀二號遙二運載火箭以液氧甲烷為推進劑，呈兩級構型，箭體直徑3.35米，全箭高度49.5米，起飛重量219噸，起飛推力268噸。整流罩最大直徑3.35米，全長8.237米。火箭一級采用4臺天鵲80噸級液氧甲烷發動機并聯，二級采用1臺天鵲80噸級液氧甲烷發動機和1臺天鵲10噸級游動液氧甲烷發動機組合而成。
藍箭航天創始人張昌武介紹稱，液氧甲烷推進劑不僅容易獲取，也更有利于火箭的回收復用。在開發液氧甲烷火箭的過程中，團隊發現液氧甲烷在可重復使用火箭中的優勢甚至超過預期，可帶來顯著的經濟效益。
外界注意到，中國民營航天企業多數選擇固體運載火箭的技術路線，藍箭航天在創立之初就將液氧甲烷火箭定為發展方向。
談及為何另辟蹊徑，張昌武坦言，過去幾十年里，中國航天“國家隊”在液氧煤油、液氫液氧發動機研制上做了很多努力，相應的火箭型號已經相當成熟。液氧甲烷火箭被視為下一代火箭的開發方向，中國需要這樣一款新的火箭型號，民營航天企業有責任、有需要走出一條新的道路，并建立自己的競爭力。
朱雀二號火箭使用的是藍箭航天自主研制的天鵲系列液氧甲烷發動機。圍繞發動機研制與火箭制造，藍箭航天建設了湖州熱試車中心和嘉興藍箭航天中心，打造自身的火箭交付能力。
這是全球首款成功入軌飛行的液氧甲烷火箭，標志著中國運載火箭在新型低成本液體推進劑應用方面取得重大突破。此次任務成功驗證了朱雀二號火箭各系統方案，為下階段的可復用火箭研制打下堅實基礎。
液氧甲烷推進劑有哪些好處?
近年來，液氧甲烷發動機成為航天新寵，國際上不少商業航天企業都在布局這一賽道，比如今年首飛失利的SpaceX(美國太空探索技術公司)“星舟”、美國“相對航天公司”的“人族一號”火箭均采用了液氧甲烷發動機。
事實上液氧甲烷發動機“萌芽”的年代卻相當早。1931年3月，德國火箭先驅約翰內斯·溫克勒主持發射了人類第一枚液氧甲烷火箭——“休克爾-溫克勒一號”。可惜該火箭僅飛到約60米高度，在那個年代也找不到實用價值，因此沒能掀起波瀾。
20世紀中期，太空時代來臨，液體火箭迎來大發展。不過，當時液體火箭發動機選擇煤油、液氫等作為主要燃料，甲烷仍然“缺席”，這與其產業技術水平、應用范圍是密切相關的。
甲烷是天然氣的主要成分。雖然天然氣很早就被發現了，但在20世紀大多數時間里沒能受到能源市場的足夠重視。這主要是由于天然氣液化技術成熟較晚，工業化處理能力不足，使用成本較高，自然很難作為航天燃料的廉價選擇。
隨著技術進步和需求變化，天然氣燃燒效率高、綠色環保、成本低、易制取等優點日益突出，甲烷也逐漸成為火箭發動機科研人員無法忽視的燃料選項。事實上，某些優質氣田生產的天然氣品質極好，經過液化處理后，不必額外進行提純等步驟，就可以直接作為火箭發動機的燃料。
20世紀60年代，美國航天企業開始進行含甲烷火箭燃料實用化的早期探索，在液氧甲烷推進劑的制備、應用上積累了相當豐富的經驗。
20世紀80年代，我國也開展了含甲烷火箭燃料發動機的預究工作，先后進行了甲烷、丙烷的電傳熱試驗和推力室點火試驗，取得了初步成果。眾多航天動力研究單位積累了大量研究成果和經驗，為液氧甲烷發動機飛天打下了堅實基礎。
此外，歐空局、俄羅斯、印度等國也在進行液氧甲烷發動機的研究工作，但目前均未造出實用化發動機型號，研究尚處于比較初級的階段。
直到21世紀20年代，在經過半個多世紀的技術沉淀后，液氧甲烷發動機終于抵達實用化階段的“門檻”。幾乎與此同時，可回收復用火箭技術逐漸成熟，促使液氧甲烷推進劑揚長避短，成為未來火箭動力的“新寵”。
在推進劑性能方面，液氧甲烷對比傳統的液氧煤油各有優劣。在密度上，在相同設計條件下，液氧甲烷的組合密度比液氧煤油低20%左右，意味著液態甲烷的能量密度不如液氧煤油;而在比沖上，甲烷的理論比沖值比煤油略高3%，但比沖很容易受到諸如發動機循環方式等因素影響，因此煤油與甲烷的比沖可以說是基本相同的;在冷卻效果上，甲烷展現出作為低溫燃料的優勢，得益于比熱容指標，其綜合冷卻能力是煤油的3倍以上，并且作為含碳燃料，不易結焦積碳，這對于發動機實際使用效果來說更加“友好”。
在發動機維護性上，甲烷則有天生的優勢。如今，可回收復用火箭成為大勢所趨，液氧煤油火箭在回收后必須對發動機進行徹底清洗才能繼續使用，而液態甲烷為強揮發性燃料，液氧甲烷發動機由此顯著減輕了后勤維護工作量。
在火箭儲箱等結構設計上，甲烷燃料的使用也給火箭帶來了非常積極的影響。液氧作為氧化劑，沸點約為零下183攝氏度，甲烷作為還原劑，沸點約為零下161攝氏度，兩者較為接近，遠遠不像液氧和液氫那樣沸點溫差懸殊。因此，選擇清潔燃料時，液氧甲烷火箭便于使用低溫推進劑共底儲箱，從而有效降低儲箱重量，縮短長度，促使火箭箭體減重，增強運載能力，還可以彌補在組合密度上的劣勢。此外，甲烷的可揮發性強，因此儲箱可以采用自生增壓設計，進一步助力高效減重。
綜上所述，液氧甲烷發動機性能強大，使用成本低廉，綜合特性非常適合可回收復用火箭技術的發展潮流，成為新時代火箭的“寵兒”也就不足為奇了。
來源：新華網、中國新聞網、中國航天報
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