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一枚中國(guó)民營(yíng)運(yùn)載火箭創(chuàng)造了歷史。
7月12日上午，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(hào)遙二液氧甲烷運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，火箭進(jìn)入預(yù)定軌道，試驗(yàn)任務(wù)取得圓滿成功。
朱雀二號(hào)是全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭，標(biāo)志著我國(guó)運(yùn)載火箭在新型低成本液體推進(jìn)劑應(yīng)用方面取得突破。
世界第一發(fā)成功入軌的液氧甲烷火箭
朱雀二號(hào)遙二運(yùn)載火箭以液氧甲烷為推進(jìn)劑，呈兩級(jí)構(gòu)型，箭體直徑3.35米，全箭高度49.5米，起飛重量219噸，起飛推力268噸。整流罩最大直徑3.35米，全長(zhǎng)8.237米。火箭一級(jí)采用4臺(tái)天鵲80噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)，二級(jí)采用1臺(tái)天鵲80噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)和1臺(tái)天鵲10噸級(jí)游動(dòng)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)組合而成。
藍(lán)箭航天創(chuàng)始人張昌武介紹稱，液氧甲烷推進(jìn)劑不僅容易獲取，也更有利于火箭的回收復(fù)用。在開(kāi)發(fā)液氧甲烷火箭的過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)液氧甲烷在可重復(fù)使用火箭中的優(yōu)勢(shì)甚至超過(guò)預(yù)期，可帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
外界注意到，中國(guó)民營(yíng)航天企業(yè)多數(shù)選擇固體運(yùn)載火箭的技術(shù)路線，藍(lán)箭航天在創(chuàng)立之初就將液氧甲烷火箭定為發(fā)展方向。
談及為何另辟蹊徑，張昌武坦言，過(guò)去幾十年里，中國(guó)航天“國(guó)家隊(duì)”在液氧煤油、液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制上做了很多努力，相應(yīng)的火箭型號(hào)已經(jīng)相當(dāng)成熟。液氧甲烷火箭被視為下一代火箭的開(kāi)發(fā)方向，中國(guó)需要這樣一款新的火箭型號(hào)，民營(yíng)航天企業(yè)有責(zé)任、有需要走出一條新的道路，并建立自己的競(jìng)爭(zhēng)力。
朱雀二號(hào)火箭使用的是藍(lán)箭航天自主研制的天鵲系列液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)研制與火箭制造，藍(lán)箭航天建設(shè)了湖州熱試車中心和嘉興藍(lán)箭航天中心，打造自身的火箭交付能力。
這是全球首款成功入軌飛行的液氧甲烷火箭，標(biāo)志著中國(guó)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。此次任務(wù)成功驗(yàn)證了朱雀二號(hào)火箭各系統(tǒng)方案，為下階段的可復(fù)用火箭研制打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
液氧甲烷推進(jìn)劑有哪些好處?
近年來(lái)，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)成為航天新寵，國(guó)際上不少商業(yè)航天企業(yè)都在布局這一賽道，比如今年首飛失利的SpaceX(美國(guó)太空探索技術(shù)公司)“星舟”、美國(guó)“相對(duì)航天公司”的“人族一號(hào)”火箭均采用了液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。
事實(shí)上液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)“萌芽”的年代卻相當(dāng)早。1931年3月，德國(guó)火箭先驅(qū)約翰內(nèi)斯·溫克勒主持發(fā)射了人類第一枚液氧甲烷火箭——“休克爾-溫克勒一號(hào)”?？上г摶鸺齼H飛到約60米高度，在那個(gè)年代也找不到實(shí)用價(jià)值，因此沒(méi)能掀起波瀾。
20世紀(jì)中期，太空時(shí)代來(lái)臨，液體火箭迎來(lái)大發(fā)展。不過(guò)，當(dāng)時(shí)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)選擇煤油、液氫等作為主要燃料，甲烷仍然“缺席”，這與其產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平、應(yīng)用范圍是密切相關(guān)的。
甲烷是天然氣的主要成分。雖然天然氣很早就被發(fā)現(xiàn)了，但在20世紀(jì)大多數(shù)時(shí)間里沒(méi)能受到能源市場(chǎng)的足夠重視。這主要是由于天然氣液化技術(shù)成熟較晚，工業(yè)化處理能力不足，使用成本較高，自然很難作為航天燃料的廉價(jià)選擇。
隨著技術(shù)進(jìn)步和需求變化，天然氣燃燒效率高、綠色環(huán)保、成本低、易制取等優(yōu)點(diǎn)日益突出，甲烷也逐漸成為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)科研人員無(wú)法忽視的燃料選項(xiàng)。事實(shí)上，某些優(yōu)質(zhì)氣田生產(chǎn)的天然氣品質(zhì)極好，經(jīng)過(guò)液化處理后，不必額外進(jìn)行提純等步驟，就可以直接作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料。
20世紀(jì)60年代，美國(guó)航天企業(yè)開(kāi)始進(jìn)行含甲烷火箭燃料實(shí)用化的早期探索，在液氧甲烷推進(jìn)劑的制備、應(yīng)用上積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)。
20世紀(jì)80年代，我國(guó)也開(kāi)展了含甲烷火箭燃料發(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)，取得了初步成果。眾多航天動(dòng)力研究單位積累了大量研究成果和經(jīng)驗(yàn)，為液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)飛天打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
此外，歐空局、俄羅斯、印度等國(guó)也在進(jìn)行液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作，但目前均未造出實(shí)用化發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，研究尚處于比較初級(jí)的階段。
直到21世紀(jì)20年代，在經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的技術(shù)沉淀后，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)終于抵達(dá)實(shí)用化階段的“門(mén)檻”。幾乎與此同時(shí)，可回收復(fù)用火箭技術(shù)逐漸成熟，促使液氧甲烷推進(jìn)劑揚(yáng)長(zhǎng)避短，成為未來(lái)火箭動(dòng)力的“新寵”。
在推進(jìn)劑性能方面，液氧甲烷對(duì)比傳統(tǒng)的液氧煤油各有優(yōu)劣。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;而在比沖上，甲烷的理論比沖值比煤油略高3%，但比沖很容易受到諸如發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)方式等因素影響，因此煤油與甲烷的比沖可以說(shuō)是基本相同的;在冷卻效果上，甲烷展現(xiàn)出作為低溫燃料的優(yōu)勢(shì)，得益于比熱容指標(biāo)，其綜合冷卻能力是煤油的3倍以上，并且作為含碳燃料，不易結(jié)焦積碳，這對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用效果來(lái)說(shuō)更加“友好”。
在發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)性上，甲烷則有天生的優(yōu)勢(shì)。如今，可回收復(fù)用火箭成為大勢(shì)所趨，液氧煤油火箭在回收后必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行徹底清洗才能繼續(xù)使用，而液態(tài)甲烷為強(qiáng)揮發(fā)性燃料，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)由此顯著減輕了后勤維護(hù)工作量。
在火箭儲(chǔ)箱等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，甲烷燃料的使用也給火箭帶來(lái)了非常積極的影響。液氧作為氧化劑，沸點(diǎn)約為零下183攝氏度，甲烷作為還原劑，沸點(diǎn)約為零下161攝氏度，兩者較為接近，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不像液氧和液氫那樣沸點(diǎn)溫差懸殊。因此，選擇清潔燃料時(shí)，液氧甲烷火箭便于使用低溫推進(jìn)劑共底儲(chǔ)箱，從而有效降低儲(chǔ)箱重量，縮短長(zhǎng)度，促使火箭箭體減重，增強(qiáng)運(yùn)載能力，還可以彌補(bǔ)在組合密度上的劣勢(shì)。此外，甲烷的可揮發(fā)性強(qiáng)，因此儲(chǔ)箱可以采用自生增壓設(shè)計(jì)，進(jìn)一步助力高效減重。
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，綜合特性非常適合可回收復(fù)用火箭技術(shù)的發(fā)展潮流，成為新時(shí)代火箭的“寵兒”也就不足為奇了。
來(lái)源：新華網(wǎng)、中國(guó)新聞網(wǎng)、中國(guó)航天報(bào)
