甲烷是天然氣的主要成分，而天然氣在我們的生活中主要出現(xiàn)在灶臺(tái)上，是我們制作可口佳肴的燃料，為何逐漸成為越來(lái)越多火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的新選擇？甲烷相比于其他火箭燃料又有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)？
▲2015年，美國(guó)宇航局在馬歇爾航天中心測(cè)試的可能用于未來(lái)火星著陸器的甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)
新時(shí)代的寵兒
1931年3月，德國(guó)火箭先驅(qū)約翰內(nèi)斯·溫克勒在德國(guó)德邵附近發(fā)射了人類(lèi)第一枚液氧甲烷火箭——“休克爾-溫克勒一號(hào)”。這枚火箭與如今的火箭長(zhǎng)相區(qū)別很大，它的燃料儲(chǔ)存于管中，只有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)位于火箭中央。它并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期高度，在那個(gè)年代，這樣的火箭也很難有實(shí)用價(jià)值，但仍在火箭發(fā)展史上留下了自己的名字。
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隨著世界上第一顆衛(wèi)星斯普特尼克一號(hào)和世界上第一位航天員尤里·加加林進(jìn)入太空，蘇聯(lián)和美國(guó)的太空競(jìng)賽時(shí)代全面開(kāi)啟，兩國(guó)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在冷戰(zhàn)的歲月中也日新月異。雖然蘇聯(lián)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)技術(shù)上十分先進(jìn)，曾誕生過(guò)許多如今可以被看做“奇葩”的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，各個(gè)設(shè)計(jì)局的各式各樣的發(fā)動(dòng)機(jī)爭(zhēng)奇斗艷，但是其中唯獨(dú)缺少了甲烷的身影。在冷戰(zhàn)期間，蘇聯(lián)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要以煤油和各類(lèi)自燃常溫燃料作為主要燃料；而在大洋彼岸，美國(guó)液體火箭主要以煤油和氫作為主要燃料，也缺少了甲烷的身影。
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雖然天然氣在很早之前就被人們發(fā)現(xiàn)，但在20世紀(jì)的大多數(shù)時(shí)候，天然氣作為一種化石能源并沒(méi)有受到重視。作為一種能源來(lái)說(shuō)它地位不高，這主要是由于當(dāng)時(shí)的天然氣液化技術(shù)尚不成熟，天然氣處理技術(shù)并不先進(jìn)，使用起來(lái)成本也較高，在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有受到歡迎。隨著時(shí)代和技術(shù)的發(fā)展，天然氣在世界化石能源交易中的占比越來(lái)越大。1970年世界天然氣貿(mào)易量不過(guò)區(qū)區(qū)30億立方米，到了2021年，世界天然氣貿(mào)易量就已經(jīng)超過(guò)了1萬(wàn)億立方米，諸如日本等國(guó)家已經(jīng)將天然氣作為主要能源來(lái)源，其地位相比于半個(gè)世紀(jì)之前大大提升。
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隨著天然氣逐漸走入千家萬(wàn)戶(hù)，走到了各個(gè)家庭的廚房灶臺(tái)上，成本低廉、來(lái)源廣泛的優(yōu)勢(shì)使得其逐漸成為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可供選擇的燃料。生產(chǎn)出來(lái)的天然氣在經(jīng)過(guò)提純處理并達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)后，就可以作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，甚至有的氣田生產(chǎn)出來(lái)的天然氣品質(zhì)極好，含硫量低且甲烷含量高，這樣的天然氣在經(jīng)過(guò)液化后無(wú)須提純等步驟就可以直接作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料。要達(dá)到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的標(biāo)準(zhǔn)，使用的天然氣中的硫含量應(yīng)小于百萬(wàn)分之一，不能含有民用天然氣中的臭味劑四氫噻吩，以免發(fā)動(dòng)機(jī)部件遭到侵蝕。為了讓火箭發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳性能，燃料中甲烷的含量最好在96%以上。
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在性能上，與液氧煤油相比，液氧甲烷有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在密度上，在相同設(shè)計(jì)條件下，液氧甲烷的組合密度比液氧煤油低20%左右，意味著液態(tài)甲烷的能量密度不如液氧煤油。在比沖上，甲烷的理論比沖比煤油略高3%，但由于比沖很容易受到諸如發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)方式的影響，因此煤油與甲烷的比沖水平可以被視為基本相同。在冷卻性能上，甲烷展現(xiàn)出了其作為低溫燃料的優(yōu)勢(shì)，其綜合冷卻能力是煤油的3倍以上，并且作為一種含碳燃料甲烷不易結(jié)焦，這對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)壽命來(lái)說(shuō)相當(dāng)友好。在發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)性上，甲烷有著天生的優(yōu)勢(shì)，在如今可回收為火箭發(fā)展大趨勢(shì)的背景下，使用煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的火箭回收后還需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行清洗作業(yè)，在一段時(shí)間后才能重新使用，而甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)在回收后，只需讓燃料自然揮發(fā)即可，無(wú)需清洗，在快速?gòu)?fù)用方面相較于煤油有著顯著優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于火箭本身來(lái)說(shuō)，作為氧化劑的液態(tài)氧的沸點(diǎn)約為零下183度，作為還原劑的甲烷沸點(diǎn)約為零下161度，兩者的沸點(diǎn)較為接近，因此做共底儲(chǔ)箱十分方便，共底儲(chǔ)箱可以有效降低儲(chǔ)箱重量和縮短長(zhǎng)度，減輕火箭箭體重量，增強(qiáng)火箭運(yùn)載能力，彌補(bǔ)其在密度上的劣勢(shì)。并且由于液態(tài)甲烷作為一種低溫燃料易揮發(fā)，因此儲(chǔ)箱可以采用自生增壓，而不用如煤油火箭一樣需要使用氦氣瓶進(jìn)行增壓，進(jìn)一步減輕了重量。綜上所述，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)性能強(qiáng)大，使用成本低廉，特性也十分契合可回收火箭的發(fā)展潮流，因此甲烷成為新時(shí)代的寵兒也就不足為奇了。
▲隨著人類(lèi)對(duì)于天然氣的處理能力越來(lái)越強(qiáng)，天然氣在世界能源市場(chǎng)中已經(jīng)不可或缺
甲烷燃料實(shí)用化的早期探索
在20世紀(jì)60年代，美國(guó)最早開(kāi)始了甲烷燃料實(shí)用化的探索，之后美國(guó)也幾乎完全主導(dǎo)了液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。來(lái)自美國(guó)宇航局的一支研究團(tuán)隊(duì)在60年代末將一臺(tái)RL10氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)作為實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了初期探索。在研究中，團(tuán)隊(duì)主要研究了使用甲烷與氧氟混合物這樣燃料搭配的發(fā)動(dòng)機(jī)的工況條件、冷卻條件、循環(huán)條件、渦輪泵工況、燃料噴注器等方面，對(duì)甲烷燃料的積碳、傳熱、結(jié)焦和與燃燒室壁面材料的相容性等進(jìn)行了研究，并于1970年初發(fā)布了一份關(guān)于液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的研究報(bào)告。這份報(bào)告對(duì)未來(lái)甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的研制設(shè)計(jì)有著重要的參考意義。
▲用于甲烷燃料測(cè)試的RL10發(fā)動(dòng)機(jī)
20世紀(jì)80年代初，美國(guó)宇航局蘭利研究中心開(kāi)展了以甲烷為動(dòng)力的可重復(fù)使用航天航空兩用飛行器“水平著陸器-42”（HL-42）的研究。它在“水平著陸器-20”（HL-20）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)?！八街懫?42”的發(fā)展背景較為復(fù)雜，簡(jiǎn)單地說(shuō)這是一個(gè)有潛力替代航天飛機(jī)的可復(fù)用載人貨運(yùn)航天器，但這個(gè)航天器本身卻未能滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)的需求。其雖然本身可復(fù)用，但發(fā)射用的火箭仍是一次性的，發(fā)射費(fèi)用高昂；并且在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為了保證方案可行性采取了較為保守的策略，新技術(shù)含量不高；在蘇聯(lián)解體，美俄在航天領(lǐng)域達(dá)成了合作后，來(lái)自俄羅斯的“聯(lián)盟號(hào)”幾乎可以完全包攬“水平著陸器-42”的任務(wù)，使其定位十分尷尬，因此該項(xiàng)目便悄無(wú)聲息的被取消了。不過(guò)其前身“水平著陸器-20”的設(shè)計(jì)最終流轉(zhuǎn)到了追夢(mèng)者航天飛機(jī)上。
2005年，美國(guó)宇航局開(kāi)展了低溫推進(jìn)劑發(fā)展項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PCAD項(xiàng)目）。PCAD項(xiàng)目主要是為了配合當(dāng)時(shí)的星座計(jì)劃而設(shè)置的，主要用于開(kāi)發(fā)勘探任務(wù)的推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)。PCAD項(xiàng)目受到美國(guó)宇航局勘探系統(tǒng)任務(wù)局的勘探技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃資助，其研究集中在無(wú)毒綠色推進(jìn)劑上，以滿(mǎn)足星座計(jì)劃對(duì)于深空探索任務(wù)的需求。在星座計(jì)劃中，與獵戶(hù)座飛船搭配的登月艙的上升器將會(huì)使用液氧甲烷燃料。在PCAD項(xiàng)目中，美國(guó)宇航局的研究人員對(duì)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，包括甲烷燃料低溫供應(yīng)系統(tǒng)、甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴嘴、甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器、甲烷反推控制系統(tǒng)、配套再生冷卻室等等，并與許多行業(yè)公司一起，用多種不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了多次時(shí)間超過(guò)百秒的點(diǎn)火測(cè)試，充分驗(yàn)證了甲烷作為火箭燃料的可行性和強(qiáng)大性能。
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經(jīng)過(guò)了20世紀(jì)的默默無(wú)聞后，甲烷在21世紀(jì)的第一個(gè)十年中也并未掀起太多波瀾，全世界大多數(shù)液體火箭依然以液氧煤油、液氧液氫、四氧化二氮/偏二甲肼作為主要燃料，在媒體報(bào)道中甲烷燃料也往往只是以某種新技術(shù)探索的身份露面，直到時(shí)間進(jìn)入了21世紀(jì)的第二個(gè)十年，情況有了變化。
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碩果落地
時(shí)間進(jìn)入21世紀(jì)的第二個(gè)十年，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)沉淀終于要走到實(shí)用化階段，完成從灶臺(tái)到火箭的最后一步。筆者在此挑選幾款即將或者已經(jīng)走到應(yīng)用階段的發(fā)動(dòng)機(jī)作為案例。
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2009年，一個(gè)名為“猛禽”的發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目名稱(chēng)從太空探索技術(shù)公司透露了出來(lái)。目前，我們已經(jīng)知道“猛禽”是一個(gè)性能極為強(qiáng)大的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，但是在當(dāng)時(shí)，其計(jì)劃采用的是液氫液氧動(dòng)力，并且是作為一型上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)研發(fā)。2012年末，太空探索技術(shù)公司總裁馬斯克對(duì)媒體透露，公司正在研發(fā)的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)將將采用液氧甲烷作為動(dòng)力，并將在未來(lái)驅(qū)動(dòng)預(yù)想中的大型火箭前往太空。馬斯克認(rèn)為，如果未來(lái)人類(lèi)要去殖民火星，甲烷將是火箭最理想的燃料，因?yàn)榛鹦谴髿庵泻写罅慷趸?，人?lèi)可以通過(guò)薩巴蒂爾反應(yīng)（二氧化碳和氫氣混合后，在400度的高溫和金屬催化劑作用下可以生成甲烷和水）合成甲烷，實(shí)現(xiàn)火箭燃料的本地生產(chǎn)。猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)在2013年到2015年之間，在美國(guó)宇航局斯坦尼斯航天中心進(jìn)行了大量測(cè)試，并在2016年進(jìn)行了首次點(diǎn)火測(cè)試，成為了繼蘇聯(lián)RD270發(fā)動(dòng)機(jī)之后，世界上第二個(gè)采用了全流量分級(jí)燃燒循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)，也代表了目前液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的最高水平。
▲2016年7月，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)首次點(diǎn)火測(cè)試
在一連串計(jì)劃變更后，強(qiáng)大的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)成為“星艦”的主要?jiǎng)恿?，并且從最初的猛?型改進(jìn)到了如今的猛禽2型。猛禽2型與1型相比已經(jīng)大不相同，在降低了重量的同時(shí)，猛禽2型的最大海平面推力達(dá)到了230噸以上。據(jù)馬斯克稱(chēng)，其室壓已經(jīng)能達(dá)到30兆帕，測(cè)試時(shí)最高甚至達(dá)到了33兆帕而沒(méi)有發(fā)生爆炸，海平面比沖約為330秒，并將在未來(lái)持續(xù)改進(jìn)，用于“星艦”上。就目前來(lái)說(shuō)，猛禽2型是世界上最強(qiáng)大的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。
▲猛禽1型與2型的對(duì)比圖，可以看出2型的體積顯著小于1型，外觀(guān)也更簡(jiǎn)潔
2023年4月20日，安裝有33臺(tái)猛禽2型的超重型助推器和星艦組合體從美國(guó)得克薩斯州博卡奇卡基地起飛，此次發(fā)射中多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛后便失效或工作不正常，組合體在飛行中由于推力矢量控制系統(tǒng)失效導(dǎo)致姿態(tài)逐漸發(fā)散，最后在39千米高度受控爆炸。從事后的分析報(bào)告中可以看出，目前版本的猛禽2型的可靠性亟待提升。
另一款相當(dāng)重要的發(fā)動(dòng)機(jī)是來(lái)自“藍(lán)色起源”的BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)。這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的光環(huán)也許沒(méi)有“猛禽”耀眼，但是其毫無(wú)疑問(wèn)將在未來(lái)的美國(guó)航天發(fā)射中扮演舉足輕重的角色。BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)早在2011年就在公司內(nèi)部進(jìn)行研發(fā)，但是直到2014年才對(duì)外發(fā)出公告，讓大家認(rèn)識(shí)了這款全新的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。2014年克里米亞危機(jī)爆發(fā)，美俄關(guān)系日漸走低，使用俄羅斯RD180液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿Φ挠钪嫔?火箭在這種背景下變得尷尬，因?yàn)槟且荒?，美?guó)國(guó)會(huì)起草了禁止未來(lái)使用俄羅斯制造的RD180發(fā)動(dòng)機(jī)的立法。在經(jīng)過(guò)了一系列論證后，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟決定在兩款待選發(fā)動(dòng)機(jī)中，選擇BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)用在未來(lái)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的頂梁柱——火神火箭上。而B(niǎo)E-4發(fā)動(dòng)機(jī)也將會(huì)出現(xiàn)在“藍(lán)色起源”自研的重型火箭——新格倫火箭上，不過(guò)新格倫火箭目前進(jìn)展仍然處于未知狀態(tài)。
▲BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火測(cè)試
BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)采用分級(jí)燃燒循環(huán)，其海平面推力為240噸，室壓約為13.4兆帕，比沖目前沒(méi)有官方數(shù)據(jù)，但根據(jù)猜測(cè)其比沖數(shù)據(jù)應(yīng)與RD180類(lèi)似。
▲火神火箭的一級(jí)上臺(tái)測(cè)試
看完了美國(guó)的，不妨我們回過(guò)頭來(lái)看看來(lái)自中國(guó)的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。早在上世紀(jì)80年代，我國(guó)就開(kāi)展了液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)究工作，先后進(jìn)行了甲烷、丙烷的電傳熱試驗(yàn)和推力室點(diǎn)火試驗(yàn)，取得了初步的研究成果。之后在“十一五”“十二五”規(guī)劃下，北京、上海、西安的航天動(dòng)力研究所進(jìn)行了大量液氧甲烷動(dòng)力的相關(guān)研究，為中國(guó)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)落地打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。目前我國(guó)有多家民營(yíng)企業(yè)諸如“藍(lán)箭航天”“九州云箭”“星際榮耀”等正在進(jìn)行液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)?！八{(lán)箭航天”研制的天鵲-12液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，其采用了燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，其海平面推力達(dá)到67噸，海平面比沖達(dá)到286秒，真空推力達(dá)到80噸，真空比沖達(dá)到337秒，室壓約為10兆帕，當(dāng)“朱雀二號(hào)”起飛時(shí)，一級(jí)的4臺(tái)天鵲-12發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)能提供268噸的推力。
▲朱雀二號(hào)底部的四臺(tái)天鵲 -12發(fā)動(dòng)機(jī)
朱雀二號(hào)遙一火箭在2022年12月14日進(jìn)行了首飛，成為了世界上第一個(gè)嘗試入軌的液氧甲烷火箭。一級(jí)飛行、一二級(jí)分離、二級(jí)點(diǎn)火、整流罩分離均正常，但二級(jí)主機(jī)關(guān)機(jī)后游機(jī)異常關(guān)機(jī)，發(fā)射任務(wù)失利。根據(jù)公司歸零評(píng)審會(huì)議，查明了故障原因和故障機(jī)理，二級(jí)游機(jī)異常關(guān)機(jī)故障定位于游機(jī)氧輸送管與氧泵低壓殼體連接部位剛度不匹配，低壓殼體存在強(qiáng)度裕度不足，在主機(jī)關(guān)機(jī)水擊作用下氧泵低壓殼體破裂，引發(fā)游機(jī)異常關(guān)機(jī)故障。針對(duì)故障原因和機(jī)理，“藍(lán)箭航天”采取了多項(xiàng)改進(jìn)措施提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)、減小水擊影響，改進(jìn)措施經(jīng)過(guò)仿真分析計(jì)算和地面試車(chē)考核驗(yàn)證有效，能夠滿(mǎn)足飛行要求。2023年7月12日，朱雀二號(hào)遙二火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，發(fā)射任務(wù)獲得圓滿(mǎn)成功，成為全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭。
▲朱雀二號(hào)遙二火箭點(diǎn)火發(fā)射
除了這些民營(yíng)企業(yè)正在研制中的發(fā)動(dòng)機(jī)，中國(guó)航天科技集團(tuán)六院也在2023年2月23日，自主研制的80噸級(jí)可重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了首次額定工況200秒長(zhǎng)程試車(chē)，取得圓滿(mǎn)成功，標(biāo)志著該型發(fā)動(dòng)機(jī)向交付飛行邁出了堅(jiān)實(shí)的一大步。
除了中美兩國(guó)外，其他國(guó)家如俄羅斯、日本、歐洲各國(guó)等對(duì)于液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作還都處于初級(jí)階段。
來(lái)源：中國(guó)航天科普、太空探索雜志2023年第6期
轉(zhuǎn)載時(shí)間：2024.11.29
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