安徽思成儀器技術有限公司
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閱讀：26發(fā)布時間：2024-11-23
很顯然，要把越重的載荷送往越遠的軌道，對火箭運力的要求就越高。當年把阿波羅載人登月任務送上月球表面的巨無霸，高達110米、直徑10米、自重3000噸、近地軌道LEO運載能力140噸的土星五號甲烷和水的沸點哪個高，就有著開了掛的至今任然無法超越的發(fā)動機。
（左）土星五號的F1發(fā)動機與火箭之父馮·布勞恩合照。來源：NASA；（右）空間中心對游人展出的單個F1發(fā)動機。來源：維基/Jud McCranie
而“朱雀二號"將要采用的，就是我們開頭提到的“天鵲"（TQ-12）發(fā)動機，這是藍箭航天自主研發(fā)的新一代運載火箭動力系統(tǒng)，也是臺商業(yè)航天企業(yè)研制的大推力液氧-甲烷發(fā)動機。
液氧-甲烷這種推進劑組合，其實以前用的并不多…不過呢，這又確實近年來各大航天機構的研發(fā)熱點。什么鬼…火箭用啥推進劑到底有啥講究？不是能燒就完事兒了么？
最直觀的，我們希望火箭的推進效率越高越好，也就是說，希望用質量盡量小的燃料，產生出盡量大的推力。這就引出了一個的指標：比沖（Specific impulse, Isp ），意思是單位質量的推進劑產生的沖量大小。這也是火箭推進劑最最重要的指標之一。
通常來說我們可以簡單把比沖理解為1千克的某種燃料產生1千克力（在地球上就是9.8牛頓）的推力可以持續(xù)的時間，單位是秒（s）。
不同混合比下的比沖會略有差異。推進劑參數整理自：[4]和[5]
顯然，液氧-液氫推進劑的比沖有壓倒性的優(yōu)勢，液氧-甲烷次之，然而早期乃至目前的火箭發(fā)射用的最多的卻是-偏二甲肼和液氧-煤油。
也就是說，除了比沖之外，還有很多需要考慮的因素。
比如容易點燃：-偏二甲肼接觸即燃，我國的長征二號到四號系列火箭都是用的-偏二甲肼作為主發(fā)動機推進劑。（不過這東西劇毒甲烷和水的沸點哪個高，以后會慢慢退出歷史舞臺的）
比如存儲便利：液氫的沸點低達零下253攝氏度，這本身就已經對存儲有很高要求了…更要命的是…液氧的凝固點是零下223攝氏度——這意味著這倆東西還不能連著放，而是要分開做好隔熱，不然液氫直接就把液氧給凍了。相比之下液氧-煤油或者-偏二甲肼的存儲就方便得多。
比如體積?。阂貉?液氫雖然比沖，但液氫的密度太小了，不到煤油的十分之一…這意味著…需要一個巨大的罐子來裝液氫燃料…典型的例子就是…航天飛機了…
高達近60米的航天飛機，發(fā)射的時候最龐大的一部分（橙色的罐子）就是推進劑…橙色罐子上面一小部分是液氧，下面一大部分都是液氫——這大大限制了液氫-液氧火箭的尺寸。
所以考慮到密度比沖的話，其實液氧-液氫的密度比沖反而是的…而劇毒的-偏二甲肼反而變得很優(yōu)秀了…
航天飛機：我要…背著燃料往上飛▼
2008年5月31日，發(fā)現號航天飛機發(fā)射。側面兩個是固體推進劑助推器。來源：NASA[6]
當然，實際考慮的還遠遠不止這些。比如液氫和液氧會隨著溫度升高不斷蒸發(fā)，為了保證儲罐的安全需要不斷泄壓，導致它們很難成為火星甚至更遠的長期深空探測的理想推進劑[7]。筆者目前能力有限，這里就不展開了。
當然，這里只說了液體推進劑，事實上可考慮的推進劑種類還遠遠不止這些。比如固體推進劑，雖然比沖低，但存儲便利而且穩(wěn)定、所需的準備時間也短，我國的長征十一號火箭、藍箭的朱雀一號火箭，都是用的固體推進劑。又比如離子推進劑，比沖指標優(yōu)秀，當年僅攜帶了425公斤離子推進劑的黎明號總計獲得超過10公里/秒的速度增量，這在深空探測器中是極其優(yōu)秀的（詳情：NASA黎明號即將結束任務：再見，小行星帶的窮游博主！）；JAXA的隼鳥號和隼鳥2號也是用的離子推進劑（詳情：不死鳥傳奇——“隼鳥"家族的小行星之旅（上）），但離子推進劑在技術上目前也還有很多不足。限于篇幅，這里也不展開了。
總之，考慮了上面這些因素之后…液氧-甲烷推進劑的優(yōu)勢還并不突出。然而時也運也，液氧-甲烷火箭卻在如今的太空探索新時代展現出了自己的優(yōu)勢。
這首先是因為液氧-甲烷本身各方面指標也還不錯：在上面提到的四種常見液態(tài)推進劑里，液氧-甲烷的比沖僅次于液氧-液氫，密度比沖也可以排上第二，沸點零下162攝氏度和液氧（零下183攝氏度）接近，儲存難度也相對較低——總之不是名，但也是好學生。
在此基礎上，液氧-甲烷推進劑還有一點的優(yōu)勢：
其一是低成本可重復使用。煤油容易結焦和產生積碳，液氫會讓一些金屬材料變得像陶瓷一樣脆硬（也就是“氫脆"），這些都會減少火箭零件的壽命，而液態(tài)甲烷則幾乎沒有這些問題，因此液氧-甲烷更適合做可回收火箭的推進劑。
其二是資源豐富易制備。對地球上的火箭來說，獲取高純度煤油并不算困難，但對外太空來說，甲烷反而可能是利的原位資源。
例如，火星的大氣中就有一定量的甲烷，目前人們也已經發(fā)現地表似乎有時還會有來源尚不明確的區(qū)域性的甲烷爆發(fā)（詳情：《科學》雜志：好奇號發(fā)現火星遠古有機物，我們離發(fā)現生命還有多遠？）。
SpaceX伊隆·馬斯克的火星大計中也有利用二氧化碳+氫氣，通過Sabatier反應生產甲烷與水的計劃，用于滿足航天器的燃料需求。
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