北京時間2023年12月9日07時39分，朱雀二號遙三運載火箭在我國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，將搭載的鴻鵠衛(wèi)星、天儀33衛(wèi)星及鴻鵠二號衛(wèi)星順利送入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。此次任務(wù)是朱雀二號運載火箭第3次飛行。

（圖片來源：我們的太空）

本次“一箭三星”商業(yè)發(fā)射任務(wù)勝利收官，標(biāo)志著朱雀二號作為全球首款連續(xù)發(fā)射成功的液氧甲烷運載火箭，其技術(shù)狀態(tài)成熟度和穩(wěn)定性得到進(jìn)一步驗證，可靠性達(dá)到商業(yè)化發(fā)射交付要求。藍(lán)箭航天也成為國內(nèi)民商航天中最早實現(xiàn)中大型液體運載火箭連續(xù)發(fā)射成功的企業(yè)，率先開啟了國內(nèi)主流液體火箭規(guī)?；虡I(yè)發(fā)射的新階段。

（圖片來源：藍(lán)箭航天）

朱雀二號是枚怎樣的火箭？

朱雀二號是我國首型以液氧甲烷為推進(jìn)劑的中型液體火箭，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，致力于為客戶提供低成本、高可靠的發(fā)射服務(wù)，滿足多場景下的商業(yè)發(fā)射需求。全箭總長49.5m，箭體直徑3.35m，起飛質(zhì)量220噸（不含有效載荷），起飛推力268噸?；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。運載能力為500km太陽同步軌道1.5噸，后續(xù)改進(jìn)型可達(dá)到500km太陽同步軌道運載能力4噸，能夠滿足近地軌道衛(wèi)星部署和飛船發(fā)射的需求。

此前，朱雀二號遙二火箭已于2023年7月12日實施發(fā)射，一舉奪得全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭桂冠，填補了我國液氧甲烷火箭技術(shù)路線的空白。

（圖片來源：藍(lán)箭航天）

此次朱雀二號遙三火箭成功將天儀研究院研制的鴻鵠衛(wèi)星和天儀33衛(wèi)星，鴻擎科技研制的鴻鵠二號衛(wèi)星送入460km太陽同步軌道，系該型火箭成功執(zhí)行一箭多星商業(yè)發(fā)射任務(wù)，代表藍(lán)箭航天在商業(yè)化運營能力建設(shè)方面取得了穩(wěn)步進(jìn)展。

運載火箭，液態(tài)燃料才是王道

49.5米的身高，219噸的起飛質(zhì)量，朱雀二號作為一款中型運載火箭，乍一看上去并無多少亮眼之處，但實際上，朱雀二號在國內(nèi)外商業(yè)航天界絕對是一款劃時代的產(chǎn)品。

（圖片來源：我們的天空）

首先，朱雀二號遙二火箭的成功發(fā)射本身就創(chuàng)造了一項世界記錄：它是世界首款成功發(fā)射入軌的液氧甲烷運載火箭。注意這里的關(guān)鍵詞：“液氧甲烷”，這就要從為朱雀二號提供強大動力的“天鵲”系列火箭發(fā)動機說起了。

從原理上來講，火箭實際就是利用自身攜帶的推進(jìn)劑發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生高速噴射的熱氣流來推進(jìn)的動力裝置。對于以空間運輸為主要任務(wù)的運載火箭而言，其發(fā)動機有四種主流推進(jìn)劑方案可供選擇：固體燃料、四氧化二氮/偏二甲肼、液氧煤油和液氧液氫。首先是固體推進(jìn)劑方案，這應(yīng)該算是歷史最悠久的火箭動力燃料了，古代用黑火藥作為燃料的原始火箭就屬于固體火箭的一種。這種推進(jìn)劑的優(yōu)點是易于長期貯存，能夠應(yīng)對突發(fā)情況，技術(shù)簡單等。但短板也是非常明顯，比如比沖小、推力不可調(diào)等。

這里就涉及到一個關(guān)鍵概念：比沖，即單位推進(jìn)劑的量所產(chǎn)生的沖量，單位是秒(s)?？梢岳斫鉃橐粋€單位質(zhì)量的推進(jìn)劑產(chǎn)生一個單位的推力能夠持續(xù)的時間，這是衡量火箭發(fā)動機動力的重要參數(shù)，一般而言，比沖值越大，就表明火箭的動力性能越優(yōu)越。顯然，比沖值普遍較小的固體火箭難以擔(dān)當(dāng)運載火箭發(fā)射的重任，只能作為輔助動力登場。比如航天飛機發(fā)射時配備的兩枚白色助推火箭就是使用了固體推進(jìn)劑。

而如今主流的運載火箭的主發(fā)動機基本都是采用液體推進(jìn)劑方案，與固體推進(jìn)劑不同，這類方案中推進(jìn)劑分為液態(tài)燃料和液態(tài)氧化劑兩類，他們在運載火箭發(fā)動機上一般是分別貯存在兩個空間中，在進(jìn)入燃燒室后激烈反應(yīng)后產(chǎn)生推力。在所有液體推進(jìn)劑方案中，液氧是最為悠久的氧化劑，1926年人類歷史上第一枚液體燃料火箭就使用了液氧（氧化劑）+汽油（燃料劑）的方案，同時也是最為高效廉價的氧化劑，很多主流運載火箭的主力發(fā)動機都采用液氧為氧化劑，不同是與之搭配的燃燒劑。這其中液氧+煤油、液氧+液氫是應(yīng)用最廣泛的搭配方案。

▲SpaceX位于肯尼迪航天發(fā)射中心的液氧儲罐(圖片來源：SpaceX)

我們知道，氫氣的燃燒能量驚人，每克氫氣充分燃燒后能夠釋放約141千焦的能量，這讓它雄居人類已知燃料劑能量榜榜首。從最大程度提升火箭動力的角度來看，液氧與液氫是最佳選擇，他們能夠讓發(fā)動機產(chǎn)生最高463.1秒的理論真空比沖值。當(dāng)年運載阿波羅登月飛船的土星5號超重型火箭的第一級與第二級發(fā)動機，以及擁有人類最大推力的前蘇聯(lián)能源號火箭主發(fā)動機就采用了液氫液氧推進(jìn)劑。當(dāng)然這種推進(jìn)劑方案也有明顯的缺點：液氫液氧本身就需要在低溫狀態(tài)下貯存，而液氧的溫度又比液氫高，加上液氫本身占據(jù)的空間就大，這就導(dǎo)致火箭燃料箱與氧化劑箱的設(shè)計非常復(fù)雜，由此帶來的高昂成本基本把將重視節(jié)約的商業(yè)航天拒之門外。

在液氧之外，人們還曾嘗試用四氧化二氮作為氧化劑，搭配偏二甲肼作為燃料劑，比如用于運送神舟系列載人飛船的長征-2F型火箭，以及俄羅斯的質(zhì)子M火箭，這類推進(jìn)劑可以實現(xiàn)常溫保存，但四氧化二氮有劇毒，且本身的制備成本很高，搭配偏二甲肼后產(chǎn)生的最大理論真空比沖值約在347秒,相比其他液體推進(jìn)劑方案并無明顯優(yōu)勢，對于商業(yè)航天而言也不是理想的選擇。

要想實現(xiàn)高性價比的發(fā)射，商業(yè)運載火箭還是要回歸到液氧上。

得益于火箭貯箱工藝技術(shù)的發(fā)展，液氧的貯存成本大幅下降，這種易于制造和儲備的氧化劑成為商業(yè)航天的不二選擇，問題是要以何種燃料劑作為它的搭檔。上文提到的液氫由于貯存成本過高肯定不在考慮之列，目前很多商業(yè)航天企業(yè)采用的是液氧+煤油的方案，這種搭配雖然產(chǎn)生的比沖值略低于液氧+液氫，但煤油的貯存方便，且易獲取，成本容易把控，液氧+煤油的方案能夠產(chǎn)生最大367秒的理論真空比沖值。土星5號的第一級火箭主發(fā)動機，以及SpaceX廣泛使用的“梅林”發(fā)動機就是采用這種推進(jìn)劑方案。但煤油燃燒后會產(chǎn)生積碳，這給發(fā)動機維護(hù)帶來不少壓力。

液氧+甲烷，新興的火箭推進(jìn)劑方案

那么，在液氧+煤油之外，還有沒有其他更適于商業(yè)航天發(fā)射的推進(jìn)劑呢?

這就要說起天鵲12型所采用的方案：液氧+甲烷。作為燃料劑，甲烷擁有一大優(yōu)勢：即液態(tài)溫度與液態(tài)氧非常接近，這就省去了如液氧+液氫方案那樣給燃料劑箱和氧化劑箱做隔熱的成本。而且甲烷的密度也遠(yuǎn)高于液氫，這讓火箭能夠在同等體積下加注更多的燃料。最重要的是，甲烷本身的制備成本也低于液氫、煤油和偏二甲肼。雖然液氧+甲烷的方案所產(chǎn)生的動力還是要比液氧液氫低不少(液氧+甲烷產(chǎn)生的最大理論比沖值約為379秒)，但也已與液氧煤油推進(jìn)劑在伯仲之間，加上本身綠色環(huán)保的特點，液氧+甲烷的方案順應(yīng)了未來新一代運載火箭技術(shù)的發(fā)展方向。對于矢志追求降本增效的商業(yè)航天而言，液氧甲烷正在成為新寵。

目前世界上的商業(yè)航天巨頭SpaceX正在全力研發(fā)大推力的“猛禽”系列液氧甲烷發(fā)動機。這是世界上亮相的第一款液氧甲烷火箭發(fā)動機，早在2012年就投入研發(fā)，2016年就開始進(jìn)行全發(fā)動機試車。目前已經(jīng)發(fā)展到第三代的猛禽發(fā)動機，能在真空中產(chǎn)生高達(dá)2530千牛的推力，真空比沖值更是達(dá)到了363秒，要知道當(dāng)年勢大力沉的土星5號火箭，它所裝備的第二級液氧液氫主發(fā)動機J-2型，在這兩項的指標(biāo)也不過是1202千牛和421秒。

▲SpaceX研發(fā)的兩款液體火箭發(fā)動機，右為采用全流量分級燃燒循環(huán)模式的“猛禽”，左為采用開式循環(huán)的“梅林”（圖片來源：推特）

在SpaceX之外，另一家世界商業(yè)航天頭部企業(yè)“藍(lán)色起源”也非常熱衷于液氧甲烷發(fā)動機的研發(fā)。該公司從2011年就啟動了BE-4型液氧甲烷發(fā)動機研發(fā)項目，2017年進(jìn)行了首次發(fā)動機試車。根據(jù)設(shè)計要求，BE-4的真空推力將達(dá)到2400千牛，真空比沖值雖沒有官方數(shù)據(jù)，但普遍推測在340秒左右?？梢娺@是個與“猛禽”不分伯仲的大力士。

相比于這兩位重量級選手，“藍(lán)箭航天”的天鵲12型發(fā)動機只能算是個后進(jìn)生，首先天鵲12型研制工作在2017年才開始，2019年才完成首次試車，算是世界上第三亮相的液氧甲烷火箭發(fā)動機。而且無論是“猛禽”還是BE-4，在設(shè)計之處就要求能夠重復(fù)使用。雖然都是以液氧甲烷為推進(jìn)劑，但三者的設(shè)計思路還是存在明顯差異。發(fā)動機里的燃料劑和氧化劑是需要在燃燒室里混合燃燒才能產(chǎn)生推力，那么以什么方式讓兩者相遇，就會劃分出不同的燃燒循環(huán)模式。

“猛禽”與BE-4都采用了“分級燃燒循環(huán)模式”，其基本原理就是：燃料劑或氧化劑預(yù)先在預(yù)燃室進(jìn)行一次富燃燃燒(大量的燃料與少量氧化劑燃燒)或者富氧燃燒(大量的氧化劑和少量的燃料燃燒)，燃燒產(chǎn)生的熱量驅(qū)動渦輪帶動泵結(jié)構(gòu)輸送燃料或氧化劑。然后產(chǎn)生的尾氣送入主燃燒室作最終燃燒產(chǎn)生推力。這種模式在很大程度上提高了推進(jìn)劑的利用率，從而增加了發(fā)動機的比沖量。

但這兩者也存在不同，“猛禽”采用的是最為大膽激進(jìn)的“全流量分級燃燒循環(huán)”模式。這是分級燃燒循環(huán)模式的一種，其實質(zhì)就是燃料劑和氧化劑都要預(yù)先經(jīng)過富燃和富氧燃燒，故而被稱為“全流量”，這種模式將發(fā)動機推進(jìn)劑的利用率達(dá)到最高，同時延長了發(fā)動機的使用壽命，但這種復(fù)雜的循環(huán)模式也帶來了結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝要求高等難題，從“猛禽”發(fā)動機漫長的研發(fā)周期就能窺見一斑。相比之下，BE-4的設(shè)計要相對保守些，采用基本的分級燃燒循環(huán)模式，也就是只設(shè)置一個預(yù)燃室，只進(jìn)行一次富氧燃燒。BE-4燃燒效率要低于“猛禽“，但研發(fā)成本和風(fēng)險更加可控。不過由于種種原因，BE-4目前依舊只停留在地面試車階段。

▲幾種液體火箭發(fā)動機工作模式示意圖（圖片來源：flownex.com）

相比“猛禽“和BE-4發(fā)動機的設(shè)計，天鵲12型采用了更為簡單的“開式循環(huán)模式”，這種模式?jīng)]有復(fù)雜的預(yù)燃工況，只是設(shè)置一個燃?xì)獍l(fā)生器，讓部分液氧和甲烷在此燃燒產(chǎn)生動力驅(qū)動渦輪，再由渦輪驅(qū)動燃料泵和氧化劑泵，將液氧和甲烷直接送到主燃料室進(jìn)行燃燒。與“分級燃燒循環(huán)模式”不同，燃?xì)獍l(fā)生器所產(chǎn)生的尾氣不再二次燃燒，而是直接當(dāng)作廢氣排放掉，這顯然讓天鵲12型在推進(jìn)劑利用率上存在一定的短板，但簡單的設(shè)計帶來的低成本與低風(fēng)險，卻也非常契合商業(yè)航天的基本需求。雖然天鵲12型面世最晚，但研發(fā)進(jìn)度最快，并成功助力朱雀二號摘得全球首個成功入軌的液氧甲烷火箭的桂冠。

來源：北京科技報，撰文/段然，部分內(nèi)容綜合藍(lán)箭航天、我們的太空等。

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