出品：科普中國

作者：寒木釣萌（科普創作者）

監制：中國科普博覽

對于我國這樣的航天大國來說，每年都會有很多枚火箭成功發射，這已經成為我國航天領域的“家常便飯”。

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

朱雀二號遙二運載火箭在我國酒泉衛星發射中心發射升空

（圖片來源：新華社）

液氧甲烷火箭：各國航天的新嘗試

原來，這是世界上第一款將載荷成功送入預定軌道的液氧甲烷火箭。

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

“人族一號”液氧甲烷運載火箭

（圖片來源：光明網）

只是，美國這兩款火箭的發射都沒有獲得成功。

到這里，你可能會產生這樣的疑問：都已經有液氧煤油和液氧液氫火箭發動機了，為什么現在中美兩國都要快馬加鞭地研制液氧甲烷火箭發動機呢？

如果液氧甲烷發動機這般好，那為什么一開始不去研制？或者數十年前，在研制液氧液氫火箭發動機前，為什么不首先研制液氧甲烷發動機？

液氧煤油與液氧液氫有何優勢？

第二次世界大戰時，德國的V-2火箭，其使用的是液氧乙醇作為推進劑，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。二戰后，各國開始研制新的液體推進劑。

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，是因為那時的煤油已經很常見，且使用量大。而全球天然氣的大規模使用，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，科學家們也依然會選擇煤油，而不是技術要求更高，且獲取成本較大的液氧甲烷。

于是，二戰后到現在，液氧煤油和液氧液氫兩種路線都得到了充分的發展。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勢，人們現在為什么還要上馬液氧甲烷路線呢？

因為人類對火箭發動機的要求大幅提高了。

之前，科學家們只要保證火箭發動機使用一次就好，成功使用一次后，火箭發動機怎樣都可以，反正都是掉在地上或者掉入大海。

但現在，人類希望火箭發動機能重復使用10次以上，甚至達到100次。此時，液氧煤油發動機就有點兒不太合適了，因為煤油燃燒時會在火箭發動機內部造成積碳結焦，繼而為重復使用帶來很大困難。

當前，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。

使用汽車發動機來展示積碳，當然，火箭發動機積碳不可能這么嚴重

（圖片來源：KINGKAR）

液氧甲烷卻不同，它是強揮發性燃料。使用后，這種燃料在火箭發動機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工作量。

火箭發動機工作時，燃氣溫度最大時可超過3300攝氏度，這超過了絕大多數金屬材料的熔點。

為避免發動機高溫受損，需要對火箭發動機進行冷卻。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動機的其他材料發生反應。

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動機噴管周圍走一個來回，這必然會帶走巨量的熱量，從而起到了給火箭發動機冷卻的效果。

“天鵲”80噸液氧甲烷發動機

（圖片來源：人民網）

常溫煤油和液態甲烷比起來，必然是后者更好，因為其是零下162攝氏度左右的低溫，冷卻效果立馬提升3倍以上。

也就是說，為了讓火箭能重復使用，需要對其進行最高效率的冷卻，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焦，而液氧甲烷卻不會。但問題又來了，液氧液氫也不會積碳結焦呀，為什么不用液氧液氫呢？而且再生冷卻時，液氫溫度更低，冷卻效果豈不是比液態甲烷更好？

沒錯，以上說法都是說得通的，但是液氫實際上存在著很多難以克服的問題。

其中一個問題是：跟液氧甲烷比起來，液氫的密度太低了，結果就是體積太大。另一個問題就是液氫的溫度實在是太低了，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。

航天飛機下那個棕色大箱子，名叫外儲箱。里面占據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，火箭上儲存液氧和液氫的兩個箱子需要做好隔絕措施，否則液氫可能會把液氧凍成固體。

如果使用液氧煤油，也需要做好隔離，否則液氧也會把煤油凍成固體。

此時，就能體現液氧甲烷的優越性了，因為其跟液氧溫度相近，不用擔心誰把誰凍成固體的問題。

于是，本來是兩個分離開來的箱子，一個裝液氧，一個裝煤油。但現在做成一個大箱子即可，只要在這個大箱子的中間多出一塊隔板，一邊裝著液態氧，另一邊裝著液態甲烷，這種結構就叫作“共底儲箱”。

毫無疑問，共底儲箱能有效降低儲箱重量，并縮短儲箱長度，繼而減少火箭重量，增強運載能力。

到這里謎底全部揭開，相比于液氧煤油和液氧液氫，液氧甲烷著實優點多多。隨著各個國家對于火箭要求的日益提高，研制液氧甲烷發動機也逐漸成為了航天科研領域的一大重點。

來源: 中國科普博覽

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