北京時(shí)間，7月12日，航天圈內(nèi)萬眾矚目的藍(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(yùn)載火箭（代號 “ZQ-2 Y2”）在我國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，火箭進(jìn)入預(yù)定軌道飛行，試驗(yàn)任務(wù)取得圓滿成功。
朱雀二號成為全球首款成功入軌飛行的液氧甲烷火箭，標(biāo)志著中國運(yùn)載火箭在新型低成本液體推進(jìn)劑應(yīng)用方面取得重大突破。
液氧甲烷火箭究竟是什么？這次發(fā)射成功又有什么意義？我們通過五問五答，快速解讀。
一、什么是液氧甲烷火箭？
液氧甲烷指的是火箭的燃料種類，在航天領(lǐng)域的學(xué)名叫工質(zhì)，這里涉及火箭發(fā)動機(jī)的原理問題。因?yàn)榛鸺w出大氣層，所以傳統(tǒng)意義上的燃燒概念并不適用，大氣層外沒有氧氣，你不能只給火箭加燃燒劑，所以要有液氧或者其他助燃劑的參與。一發(fā)火箭需要把這兩種工質(zhì)全部轉(zhuǎn)載到火箭內(nèi)部。對于朱雀II來說，它的助燃劑是液氧，燃燒劑是甲烷。因此通俗來說，這就是液氧甲烷火箭的說法。
二、為什么會有液氧甲烷火箭？
這個問題有四個層面的原因：
首先，科研層面。擁有新的燃料體系對于全球航天產(chǎn)業(yè)整體來說是好事，多一條技術(shù)路線就多了一種可能性。而且甲烷的成本相對較低，比傳統(tǒng)的航天煤油和液氫便宜。
其次，應(yīng)用層面。甲烷在太陽系內(nèi)儲量相對豐富，即可以在火星很方便的生產(chǎn)，也可以在土衛(wèi)六等衛(wèi)星上直接獲取，對于星際遠(yuǎn)征和移民來說是一種便利。
再次，競爭層面。國外以SpaceX為首的猛禽發(fā)動機(jī)就是液氧甲烷體系的，所以從技術(shù)通用性上，其他國家必須掌握。
最后，協(xié)調(diào)發(fā)展。液氧甲烷目前主要是國內(nèi)民營航天在主推，原因是在燃料這條技術(shù)路線上要和國家隊(duì)形成互補(bǔ)關(guān)系。國家隊(duì)雖說也沒有放棄液氧甲烷，但在燃料體系的研發(fā)層面要考慮的東西更多，其中比較重要的一個原因就是比沖。液氧甲烷的比沖比液氧煤油高，但是不如液氫液氧發(fā)動機(jī)。所以國家如果花大力氣研發(fā)發(fā)動機(jī)，肯定會選擇更有代表性和理論更優(yōu)的解。因此液氧甲烷是民營的機(jī)會。
三、技術(shù)門檻有多高？
這件事很難評述，每種技術(shù)都有其獨(dú)特的難度。我們只能用一些實(shí)現(xiàn)它的工程指標(biāo)來評述它的合理性。
第一個，火箭設(shè)計(jì)。航天是龐大的系統(tǒng)工程，對于成熟的火箭型號來說，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一點(diǎn)點(diǎn)改動，就能把穩(wěn)定性擊碎。之所以說這些，原因在于火箭的設(shè)計(jì)并非無根之水，成熟型號的圖紙對于現(xiàn)階段中國民營火箭公司來說借鑒意義非常大。而對于液氧甲烷來說，因?yàn)橐貉跫淄檎w的密度，比常規(guī)火箭燃料只大了一點(diǎn)點(diǎn)，這就意味著你的儲罐擴(kuò)容沒必要那么大。這就導(dǎo)致成熟型號的火箭設(shè)計(jì)改動的部分相對就比較校這對于火箭設(shè)計(jì)來說，是非常關(guān)鍵的要素。
第二，分子成分。燃料因?yàn)榧淄榈姆肿邮奖容^簡單，所以在設(shè)計(jì)火箭的過程中不用過多的思考工質(zhì)燃燒后所產(chǎn)生的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會在發(fā)動機(jī)上形成結(jié)痂，進(jìn)而引發(fā)飛行風(fēng)險(xiǎn)。而甲烷這方面的風(fēng)險(xiǎn)比較小，所以設(shè)計(jì)也相對簡單，當(dāng)然這個簡單也是相對的……航天沒有簡單的事。
第三，燃燒溫度。甲烷的燃燒溫度比較低，傳統(tǒng)的航天煤油燃燒溫度是3800多開爾文，而甲烷只有不到3600。你要知道，最常見的金屬鐵，它的熔點(diǎn)只有1800開爾文。所以發(fā)動機(jī)雖然使用了合金來抵御高溫，但依然需要在燃燒過程中，利用低溫燃料循環(huán)的方式，給發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)降溫。所以更低的燃燒溫度自然是一種莫大的好處，尤其對于可重復(fù)使用的火箭發(fā)動機(jī)來說，維護(hù)成本可以大幅降低。
當(dāng)然還有其他的一些好處，只不過那些都是非�；逎暮教彀l(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)問題了，如果各位網(wǎng)友感興趣，咱么以后可以專門出一期火箭發(fā)動機(jī)的技術(shù)解讀。
四、意義主要是什么？
這次發(fā)射最重要的意義在于全球液氧甲烷火箭的首次發(fā)射入軌，入軌對于航天器來說是一個可以投入實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)志。在很多年前，很多民營火箭公司發(fā)射的火箭都是探空火箭，哪怕是藍(lán)色起源的新謝潑德號也沒有進(jìn)入軌道空間。所以入軌是一個非常重要的事情，而藍(lán)箭這詞也算是為全人類驗(yàn)證了液氧甲烷的可行性。
另一個非常重要的意義在于，藍(lán)箭航天作為中國民營火箭公司代表性的企業(yè)，在經(jīng)過幾次失敗以后，終于有了一款能夠成功支持業(yè)務(wù)運(yùn)營的產(chǎn)品，可以說是公司的一個重要里程碑，也是中國民營航天的一個里程碑。本次發(fā)射最難的地方也在于此，心理和精神壓力會比技術(shù)上的壓力更大。好在這次結(jié)果是好的，未來中國民營航天也可能因此產(chǎn)生一些格局上的變化。朱雀II的運(yùn)載能力是目前民營火箭最強(qiáng)的，那些更重要、質(zhì)量更大的載荷，也多了民營火箭的這個選擇。
五、之前哪些國家、公司嘗試發(fā)射過，結(jié)果如何？
雖然朱雀II是首發(fā)入軌的液氧甲烷火箭，但全球?qū)σ貉跫淄榈难芯亢蛧L試卻早就開始了。
我們國家自己有星際榮耀的焦點(diǎn)系列發(fā)動機(jī)，九州云箭的凌云、龍?jiān)瓢l(fā)動機(jī)、宇航推進(jìn)的滄龍系列發(fā)動機(jī)。光大航天迷可以嚴(yán)密關(guān)注龍?jiān)�，相信不久能給你們很大的驚喜。
國際上，1960年一家歷史悠久的意大利航天公司，從主營航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)型到火箭發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，在2004年的時(shí)候，就著手研發(fā)一款在火箭第三級使用的液氧甲烷發(fā)動機(jī)。一直和俄羅斯有合作。不過因?yàn)閼?zhàn)爭的關(guān)系，合作不得已終止。目前這家意大利公司已經(jīng)開始獨(dú)立研制火箭上面級所使用的液氧甲烷發(fā)動機(jī)，不過看到它實(shí)際應(yīng)用可能要等到2026年。
另外一款歐洲的液氧甲烷發(fā)動機(jī)名氣就大得多了，前幾天阿里安5火箭退役，而已經(jīng)確定方案的阿里安6火箭本來打算采用液氫液氧發(fā)動機(jī)，但現(xiàn)在可能被這款名為普羅米修斯的液氧甲烷發(fā)動機(jī)代替。這款發(fā)動機(jī)在2015年開始研制，但是非常神秘，沒有試車視頻流出，所有公開信息停留在了2020年。
唯一投入使用的藍(lán)色起源BE-4液氧甲烷發(fā)動機(jī)，也因?yàn)樾轮x潑德號并不入軌，而沒能獲得全球首發(fā)入軌的液氧甲烷火箭的殊榮。
再有就是更加著名的SpaceX的猛禽發(fā)動機(jī)，它是裝配在星艦上的超級火箭發(fā)動機(jī)，外界對他的了解僅限于勁兒大，猛。但實(shí)際上猛禽發(fā)動機(jī)是自打有了航天以來，唯三的全流量循環(huán)發(fā)動機(jī)，用人話說就是它沒有浪費(fèi)一點(diǎn)燃料，是人類航天發(fā)動機(jī)工藝的結(jié)晶。前兩款類似工藝的發(fā)動機(jī)一個是前蘇聯(lián)沒上過天的RD-270發(fā)動機(jī)，另一個甚至無法被稱為發(fā)動機(jī)，它是美國的一款集成動力驗(yàn)證器。而猛禽，則是徹底的實(shí)現(xiàn)了這個工程杰作。
