全球首枚液氧甲烷火箭入軌我們?yōu)槭裁匆l(fā)射朱雀二號

邊雪

大風(fēng)呼嘯，人跡罕至。雖位于巴丹吉林沙漠深處，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心正在書寫著人類航天的史書。

2023年7月12日9時(shí)，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(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。

“成了！”在發(fā)射現(xiàn)場的文昌航天科普協(xié)會負(fù)責(zé)人、航天攝影師王禹博告訴封面新聞?dòng)浾?，“我們成功了！人類第一！?/p>

本次發(fā)射成功的朱雀二號，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。

據(jù)藍(lán)箭航天工作人員介紹，朱雀二號運(yùn)載火箭為液氧甲烷火箭是藍(lán)箭航天自主研制的一款新型雙低溫液體燃料運(yùn)載火箭，也是中國商業(yè)火箭領(lǐng)域唯一通過自主研制的全箭動(dòng)力系統(tǒng)開展飛行驗(yàn)證的液體火箭。

朱雀二號為兩級液體運(yùn)載火箭，直徑3.35m，全長49.5m，總重216噸，起飛總推力268噸，500km高度太陽同步軌道運(yùn)力4噸，200km近地軌道運(yùn)力6噸，可以將兩輛標(biāo)準(zhǔn)SUV轎車同時(shí)送入太空。

火箭一級采用 4 臺“天鵲”80 噸液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)；火箭二級發(fā)動(dòng)機(jī)采用單臺“天鵲”80 噸液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)和“天鵲”10 噸級游動(dòng)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，主機(jī)構(gòu)型與一級發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)相同。火箭級間分離采用冷分離方式，整流罩分離采用旋拋分離方式。

該火箭是屬于我國民營企業(yè)之中研究的最大火箭，也是首枚液體火箭與首枚液氧甲烷火箭，其特性包括環(huán)保、無毒、無污染。值得注意的是，朱雀二號采用一體化集成電氣系統(tǒng)，推進(jìn)劑成本降低50%～90%，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，全箭零部件種類減少50%。所以，成功的話，未來將使得我國航天發(fā)展走向一個(gè)新階梯。

朱雀二號的成功發(fā)射，意義非凡。全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家、中國空間科學(xué)傳播專家工作室首席科學(xué)傳播專家龐之浩在接受采訪時(shí)表示，本次（朱雀二號）發(fā)射成功第一個(gè)意義就是作為世界首款成功入軌飛行的液氧甲烷火箭。國外也有航天公司試了幾次，都沒有成功，包括馬斯克的星艦也是用液氧甲烷作為原料，這也代表了一個(gè)發(fā)展趨勢。“本次發(fā)射成功，也給我們民營航天公司很大的振奮啊，在未來，我們對民營航天公司還更有信心了。”

近年來，甲烷火箭的發(fā)射失敗不在少數(shù)，但為什么還要發(fā)展液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)？

答案就在甲烷的燃燒性質(zhì)與商業(yè)化火箭的發(fā)射需求中。

首先，甲烷是一種清潔推進(jìn)劑。甲烷是一種有機(jī)化合物，分子式是CH4，是含碳量最小、含氫量最大的烴。甲烷在自然界的分布很廣，是天然氣、沼氣、坑氣等的主要成分。作為燃料，甲烷在氧氣中燃燒的產(chǎn)物是二氧化碳和水，是一種清潔燃料，對于運(yùn)載火箭而言也是一種清潔燃燒劑。

其次，甲烷的能量密度尚佳，在用作火箭燃燒劑時(shí)，氣態(tài)甲烷首先需要進(jìn)行液化，液態(tài)甲烷的沸點(diǎn)溫度為-161.5℃，密度約為0.42千克/立方分米（0.42噸/立方米），密度遠(yuǎn)高于液氫的0.0708千克/立方分米，低于RP-1煤油的0.81千克/立方分米，體積能量密度適中，裝載相同質(zhì)量推進(jìn)劑貯箱大于煤油，遠(yuǎn)小于液氫。一般航空煤油的質(zhì)量能量密度（比能量）為41.84～42.89兆焦/千克（MJ/kg），液氫的質(zhì)量能量密度約為120兆焦/千克，液態(tài)甲烷的質(zhì)量能量密度是50兆焦/千克，液態(tài)甲烷的比能量是煤油的116%、液氫的42%，比能量適中。在此基礎(chǔ)上，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖也適中，理論比沖為355秒，高于液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的344秒，低于液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)的445秒。

再次，甲烷還有極低的使用成本。在目前主流的推進(jìn)劑當(dāng)中，液氫的生產(chǎn)成本是最高的，單位生產(chǎn)成本達(dá)到500元/千克，然后是煤油，單位生產(chǎn)成本超過10元/千克，而液態(tài)甲烷的生產(chǎn)成本最低，僅有5元/千克。相較而言，液態(tài)甲烷的單位生產(chǎn)成本不到煤油的1/2，僅有液氫的1/100。（注：液氫、煤油、液態(tài)甲烷單位生產(chǎn)成本為我國2019年及以前的數(shù)據(jù)，同時(shí)具體成本世界各國區(qū)別明顯。）

最后，甲烷天生更適于共底貯箱。在液氫/液氧、液氧/煤油、液氧/液態(tài)甲烷3組雙組元推進(jìn)劑當(dāng)中，液氧/液態(tài)甲烷是燃燒劑和氧化劑溫差最小的一組，其中液態(tài)甲烷的沸點(diǎn)是-161.5℃，液氧的沸點(diǎn)是-182.96℃，溫區(qū)相近，溫差僅有21.46℃，設(shè)計(jì)使用共底貯箱相對簡單。相反，液氫/液氧推進(jìn)劑中，液氫的沸點(diǎn)達(dá)到-252.78℃，比液氧-222.65℃的凝點(diǎn)還低30.13度，液氧/煤油推進(jìn)劑中，煤油的凝固點(diǎn)是－47℃，液氧沸點(diǎn)比其低135.96℃，對于采用這兩組推進(jìn)劑的火箭而言，需要使用絕熱共底貯箱，生產(chǎn)工藝復(fù)雜、質(zhì)量控制嚴(yán)格，還會增加火箭高度。

液氧甲烷相較于液氧、煤油比較便宜、污染小，基本可以算作沒有污染。此外，液氧甲烷不結(jié)痂，在火箭發(fā)射中可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。龐之浩表示，液氧甲烷的燃料還可以在火星探測或者航天員登火星時(shí)使用。

隨著人類進(jìn)入太空的規(guī)模不斷擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的回收復(fù)用已經(jīng)勢在必行。更利于回收復(fù)用的甲烷自然也成為航天公司研發(fā)的重點(diǎn)。

“液氧甲烷火箭是藍(lán)箭在創(chuàng)業(yè)之初就選定的發(fā)展方向，液氧甲烷更容易獲取，并且對未來可重復(fù)使用火箭的開發(fā)更加有利?！彼{(lán)箭航天董事長兼CEO張昌武在接受媒體采訪時(shí)表示，國家在過去60多年里，圍繞液氧煤油、氫氧類的發(fā)動(dòng)機(jī)，已經(jīng)做了很多開發(fā)工作，并且產(chǎn)品都已經(jīng)非常成熟，在這樣的背景下，技術(shù)上新的突破才能在市場上有自己的一席之地?！巴ㄟ^一型可以實(shí)現(xiàn)更低的成本、更好地實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用的火箭，可以建立我們的競爭力，同時(shí)還能填補(bǔ)航天領(lǐng)域的這個(gè)空白。”

在液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，中國是世界上除美國外處于前列的國家。

據(jù)封面新聞此前報(bào)道，馬斯克旗下的SpaceX的“獵鷹九號”和“重型獵鷹”，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了芯一級、助推器、整流罩的多次回收復(fù)用，該系列火箭使用的是液氧煤油推進(jìn)劑，發(fā)動(dòng)機(jī)會存在明顯的結(jié)焦和積炭的問題，這為多次回收復(fù)用帶來了明顯障礙，而如果將推進(jìn)劑換成液氧甲烷，問題就會迎刃而解。

2023年4月20日，SpaceX公司的“星艦”火箭發(fā)射升空，但在飛行過程中爆炸解體，該火箭全箭共使用了36臺230噸級的“猛禽”液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。馬斯克當(dāng)月晚些時(shí)候在社交平臺上表示，一到兩個(gè)月內(nèi)或準(zhǔn)備再次試射“星艦”。

“星艦”首飛未獲成功后，SpaceX 公司陸續(xù)進(jìn)行了首飛失利分析、發(fā)射場修整、發(fā)射架方案優(yōu)化等，第二枚“星艦”目前已經(jīng)完成總裝工作，將在未來幾個(gè)月內(nèi)進(jìn)行第二次發(fā)射。馬斯克上月表示，“星艦”首次發(fā)射未能成功后，公司已經(jīng)對其進(jìn)行了 1000 多項(xiàng)修改，最引人注目的是火箭的超重助推器和飛船部分改為熱分離技術(shù)，即在飛船上的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，超重型助推器仍與它相連。

受商業(yè)航天公司崛起的影響，我國也涌現(xiàn)出一批瞄準(zhǔn)了商業(yè)火箭發(fā)射場，開始開發(fā)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的民營航天企業(yè)。

值得注意的是，朱雀二號采用一體化集成電氣系統(tǒng)，推進(jìn)劑成本降低50% ～ 90%，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，全箭零部件種類減少50%。所以，成功的話，未來將使得我國航天發(fā)展走向一個(gè)新階梯。

本次成功發(fā)射朱雀二號的北京藍(lán)箭航天公司，成立于2015年，2016年下半年著手研發(fā)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，目前致力于研制以液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的大中型火箭。

2022年11月，藍(lán)箭航天自主研制的朱雀二號運(yùn)載火箭（遙二）主要部組件齊套，在嘉興藍(lán)箭航天中心開始總裝工作。該火箭為兩級運(yùn)載火箭，一級采用4臺天鵲12系列80噸級液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)，二級采用單臺天鵲12系列發(fā)動(dòng)機(jī)和一臺10噸級天鵲11發(fā)動(dòng)機(jī)游機(jī)。

2022年12月14日16時(shí)30分，藍(lán)箭航天在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心執(zhí)行朱雀二號遙二首次飛行試驗(yàn)，火箭一、二級主機(jī)工作正常，由于二級的天鵲11游機(jī)工作異常，最終發(fā)射任務(wù)未能成功。盡管朱雀二號這次不幸未能成為全球首款成功入軌的液氧甲烷火箭，但火箭仍飛越了卡門線（海拔100km）。

朱雀二號火箭在經(jīng)歷2023年失利歸零后，終于迎來了勝利。王禹博在發(fā)射成功一小時(shí)后，接受封面新聞?dòng)浾卟稍L時(shí)，仍然難掩激動(dòng)心情?！氨敬位鸺鞘酌兑砸貉跫淄闉槿剂喜⑶页晒θ胲墸诮?jīng)歷2023年的失利后我們一度認(rèn)為要丟失‘人類第一’的稱號，然而美國相對論公司人族1號、SpaceX公司星艦都沒能做到的事情，ULA公司火神號接續(xù)經(jīng)歷失敗、爆炸、推遲等一系列問題，機(jī)會又回到了我們手中。”

“當(dāng)測發(fā)大廳傳來： 二級發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)、星艦分離，人群沸騰了。道路再泥濘，我們終將跨越。今天，我站在這里，為祖國自豪?！蓖跤聿└嬖V封面新聞?dòng)浾摺?/p>

◎ 來源|封面新聞