一枚中國民營運載火箭創(chuàng)造了歷史！

7月12日上午，由藍(lán)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(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，火箭進入預(yù)定軌道，試驗任務(wù)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(biāo)志著我國運載火箭在新型低成本液體推進劑應(yīng)用方面取得突破。

世界第一發(fā)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(gòu)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?；鸺患壊捎?臺天鵲80噸級液氧甲烷發(fā)動機并聯(lián)，二級采用1臺天鵲80噸級液氧甲烷發(fā)動機和1臺天鵲10噸級游動液氧甲烷發(fā)動機組合而成。

藍(lán)箭航天創(chuàng)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(fù)用。在開發(fā)液氧甲烷火箭的過程中，團隊發(fā)現(xiàn)液氧甲烷在可重復(fù)使用火箭中的優(yōu)勢甚至超過預(yù)期，可帶來顯著的經(jīng)濟效益。

外界注意到，中國民營航天企業(yè)多數(shù)選擇固體運載火箭的技術(shù)路線，藍(lán)箭航天在創(chuàng)立之初就將液氧甲烷火箭定為發(fā)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(fā)動機研制上做了很多努力，相應(yīng)的火箭型號已經(jīng)相當(dāng)成熟。液氧甲烷火箭被視為下一代火箭的開發(fā)方向，中國需要這樣一款新的火箭型號，民營航天企業(yè)有責(zé)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(lán)箭航天自主研制的天鵲系列液氧甲烷發(fā)動機。圍繞發(fā)動機研制與火箭制造，藍(lán)箭航天建設(shè)了湖州熱試車中心和嘉興藍(lán)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(biāo)志著中國運載火箭在新型低成本液體推進劑應(yīng)用方面取得重大突破。此次任務(wù)成功驗證了朱雀二號火箭各系統(tǒng)方案，為下階段的可復(fù)用火箭研制打下堅實基礎(chǔ)。

液氧甲烷推進劑有哪些好處?

近年來，液氧甲烷發(fā)動機成為航天新寵，國際上不少商業(yè)航天企業(yè)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(shù)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(fā)動機。

事實上液氧甲烷發(fā)動機“萌芽”的年代卻相當(dāng)早。1931年3月，德國火箭先驅(qū)約翰內(nèi)斯·溫克勒主持發(fā)射了人類第一枚液氧甲烷火箭——“休克爾-溫克勒一號”?？上г摶鸺齼H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(jì)中期，太空時代來臨，液體火箭迎來大發(fā)展。不過，當(dāng)時液體火箭發(fā)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(chǎn)業(yè)技術(shù)水平、應(yīng)用范圍是密切相關(guān)的。

甲烷是天然氣的主要成分。雖然天然氣很早就被發(fā)現(xiàn)了，但在20世紀(jì)大多數(shù)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(shù)成熟較晚，工業(yè)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(shù)進步和需求變化，天然氣燃燒效率高、綠色環(huán)保、成本低、易制取等優(yōu)點日益突出，甲烷也逐漸成為火箭發(fā)動機科研人員無法忽視的燃料選項。事實上，某些優(yōu)質(zhì)氣田生產(chǎn)的天然氣品質(zhì)極好，經(jīng)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(fā)動機的燃料。

20世紀(jì)60年代，美國航天企業(yè)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(yīng)用上積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗。

20世紀(jì)80年代，我國也開展了含甲烷火箭燃料發(fā)動機的預(yù)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(jīng)驗，為液氧甲烷發(fā)動機飛天打下了堅實基礎(chǔ)。

此外，歐空局、俄羅斯、印度等國也在進行液氧甲烷發(fā)動機的研究工作，但目前均未造出實用化發(fā)動機型號，研究尚處于比較初級的階段。

直到21世紀(jì)20年代，在經(jīng)過半個多世紀(jì)的技術(shù)沉淀后，液氧甲烷發(fā)動機終于抵達(dá)實用化階段的“門檻”。幾乎與此同時，可回收復(fù)用火箭技術(shù)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(tǒng)的液氧煤油各有優(yōu)劣。在密度上，在相同設(shè)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(tài)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(fā)動機循環(huán)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(xiàn)出作為低溫燃料的優(yōu)勢，得益于比熱容指標(biāo)，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(jié)焦積碳，這對于發(fā)動機實際使用效果來說更加“友好”。

在發(fā)動機維護性上，甲烷則有天生的優(yōu)勢。如今，可回收復(fù)用火箭成為大勢所趨，液氧煤油火箭在回收后必須對發(fā)動機進行徹底清洗才能繼續(xù)使用，而液態(tài)甲烷為強揮發(fā)性燃料，液氧甲烷發(fā)動機由此顯著減輕了后勤維護工作量。

在火箭儲箱等結(jié)構(gòu)設(shè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(fā)性強，因此儲箱可以采用自生增壓設(shè)計，進一步助力高效減重。

綜上所述，液氧甲烷發(fā)動機性能強大，使用成本低廉，綜合特性非常適合可回收復(fù)用火箭技術(shù)的發(fā)展潮流，成為新時代火箭的“寵兒”也就不足為奇了。