液氧甲烷为何成为火箭燃料“新宠”

文/ 汤川学

▲ 2015 年，美国宇航局在马歇尔航天中心测试的可能用于未来火星着陆器的甲烷发动机

2023 年是各式各样的新火箭集中上天的一年，这些新火箭将为世界航天注入新活力。若我们细心留意，几款新火箭，诸如太空探索技术公司的“星舰”、“联合发射联盟”的火神火箭、“相对论航天”的人族-1 火箭，或者是已经首飞过的中国民营企业“蓝箭航天”的朱雀2 号火箭，都采用了一种对于火箭来说还相对新颖的燃料——甲烷。甲烷是天然气的主要成分，而天然气在我们的生活中主要出现在灶台上，是我们制作可口佳肴的燃料，为何逐渐成为越来越多火箭发动机的新选择？甲烷相比于其他火箭燃料又有哪些独特的优势？

新时代的宠儿

1931 年3 月，德国火箭先驱约翰内斯·温克勒在德国德邵附近发射了人类第一枚液氧甲烷火箭——“休克尔-温克勒一号”。这枚火箭与如今的火箭长相区别很大，它的燃料储存于管中，只有一个发动机位于火箭中央。它并没有达到预期高度，在那个年代，这样的火箭也很难有实用价值，但仍在火箭发展史上留下了自己的名字。

随着世界上第一颗卫星斯普特尼克一号和世界上第一位航天员尤里·加加林进入太空，苏联和美国的太空竞赛时代全面开启，两国的火箭发动机技术在冷战的岁月中也日新月异。虽然苏联在火箭发动机研发技术上十分先进，曾诞生过许多如今可以被看做“奇葩”的火箭发动机，各个设计局的各式各样的发动机争奇斗艳，但是其中唯独缺少了甲烷的身影。在冷战期间，苏联液体火箭发动机主要以煤油和各类自燃常温燃料作为主要燃料；而在大洋彼岸，美国液体火箭主要以煤油和氢作为主要燃料，也缺少了甲烷的身影。

虽然天然气在很早之前就被人们发现，但在20 世纪的大多数时候，天然气作为一种化石能源并没有受到重视。作为一种能源来说它地位不高，这主要是由于当时的天然气液化技术尚不成熟，天然气处理技术并不先进，使用起来成本也较高，在当时并没有受到欢迎。随着时代和技术的发展，天然气在世界化石能源交易中的占比越来越大。1970 年世界天然气贸易量不过区区30 亿立方米，到了2021 年，世界天然气贸易量就已经超过了1 万亿立方米，诸如日本等国家已经将天然气作为主要能源来源，其地位相比于半个世纪之前大大提升。

随着天然气逐渐走入千家万户，走到了各个家庭的厨房灶台上，成本低廉、来源广泛的优势使得其逐渐成为火箭发动机可供选择的燃料。生产出来的天然气在经过提纯处理并达到使用标准后，就可以作为火箭发动机的燃料，甚至有的气田生产出来的天然气品质极好，含硫量低且甲烷含量高，这样的天然气在经过液化后无须提纯等步骤就可以直接作为火箭发动机的燃料。要达到火箭发动机燃料的标准，使用的天然气中的硫含量应小于百万分之一，不能含有民用天然气中的臭味剂四氢噻吩，以免发动机部件遭到侵蚀。为了让火箭发动机达到最佳性能，燃料中甲烷的含量最好在96%以上。

▲ 随着人类对于天然气的处理能力越来越强，天然气在世界能源市场中已经不可或缺

在性能上，与液氧煤油相比，液氧甲烷有其独特优势。在密度上，在相同设计条件下，液氧甲烷的组合密度比液氧煤油低20%左右，意味着液态甲烷的能量密度不如液氧煤油。在比冲上，甲烷的理论比冲比煤油略高3%，但由于比冲很容易受到诸如发动机循环方式的影响，因此煤油与甲烷的比冲水平可以被视为基本相同。在冷却性能上，甲烷展现出了其作为低温燃料的优势，其综合冷却能力是煤油的3 倍以上，并且作为一种含碳燃料甲烷不易结焦，这对于发动机寿命来说相当友好。在发动机维护性上，甲烷有着天生的优势，在如今可回收为火箭发展大趋势的背景下，使用煤油发动机的火箭回收后还需要对发动机进行清洗作业，在一段时间后才能重新使用，而甲烷发动机在回收后，只需让燃料自然挥发即可，无需清洗，在快速复用方面相较于煤油有着显著优势。而对于火箭本身来说，作为氧化剂的液态氧的沸点约为零下183 度，作为还原剂的甲烷沸点约为零下161度，两者的沸点较为接近，因此做共底储箱十分方便，共底储箱可以有效降低储箱重量和缩短长度，减轻火箭箭体重量，增强火箭运载能力，弥补其在密度上的劣势。并且由于液态甲烷作为一种低温燃料易挥发，因此储箱可以采用自生增压，而不用如煤油火箭一样需要使用氦气瓶进行增压，进一步减轻了重量。综上所述，液氧甲烷发动机性能强大，使用成本低廉，特性也十分契合可回收火箭的发展潮流，因此甲烷成为新时代的宠儿也就不足为奇了。

甲烷燃料实用化的早期探索

在20 世纪60 年代，美国最早开始了甲烷燃料实用化的探索，之后美国也几乎完全主导了液氧甲烷发动机技术的实用化进程。来自美国宇航局的一支研究团队在60 年代末将一台RL10 氢氧发动机作为实验机进行了初期探索。在研究中，团队主要研究了使用甲烷与氧氟混合物这样燃料搭配的发动机的工况条件、冷却条件、循环条件、涡轮泵工况、燃料喷注器等方面，对甲烷燃料的积碳、传热、结焦和与燃烧室壁面材料的相容性等进行了研究，并于1970 年初发布了一份关于液氧甲烷发动机的研究报告。这份报告对未来甲烷发动机的研制设计有着重要的参考意义。

▲ 用于甲烷燃料测试的RL10 发动机

20 世纪80 年代初，美国宇航局兰利研究中心开展了以甲烷为动力的可重复使用航天航空两用飞行器“水平着陆器-42”（HL-42）的研究。它在“水平着陆器-20”（HL-20）的基础上发展而来。“水平着陆器-42”的发展背景较为复杂，简单地说这是一个有潜力替代航天飞机的可复用载人货运航天器，但这个航天器本身却未能满足当时的需求。其虽然本身可复用，但发射用的火箭仍是一次性的，发射费用高昂；并且在进行方案设计时，设计团队为了保证方案可行性采取了较为保守的策略，新技术含量不高；在苏联解体，美俄在航天领域达成了合作后，来自俄罗斯的“联盟号”几乎可以完全包揽“水平着陆器-42”的任务，使其定位十分尴尬，因此该项目便悄无声息的被取消了。不过其前身“水平着陆器-20”的设计最终流转到了追梦者航天飞机上。

▲ “水平着陆器-20”想象图

2005 年，美国宇航局开展了低温推进剂发展项目（以下简称PCAD 项目）。PCAD 项目主要是为了配合当时的星座计划而设置的，主要用于开发勘探任务的推进系统技术。PCAD项目受到美国宇航局勘探系统任务局的勘探技术开发计划资助，其研究集中在无毒绿色推进剂上，以满足星座计划对于深空探索任务的需求。在星座计划中，与猎户座飞船搭配的登月舱的上升器将会使用液氧甲烷燃料。在PCAD 项目中，美国宇航局的研究人员对液氧甲烷发动机技术进行了技术攻关，包括甲烷燃料低温供应系统、甲烷发动机燃料喷嘴、甲烷发动机点火器、甲烷反推控制系统、配套再生冷却室等等，并与许多行业公司一起，用多种不同型号的发动机进行了多次时间超过百秒的点火测试，充分验证了甲烷作为火箭燃料的可行性和强大性能。

经过了20 世纪的默默无闻后，甲烷在21 世纪的第一个十年中也并未掀起太多波澜，全世界大多数液体火箭依然以液氧煤油、液氧液氢、四氧化二氮/偏二甲肼作为主要燃料，在媒体报道中甲烷燃料也往往只是以某种新技术探索的身份露面，直到时间进入了21 世纪的第二个十年，情况有了变化。

硕果落地

时间进入21 世纪的第二个十年，液氧甲烷发动机经过多年的技术沉淀终于要走到实用化阶段，完成从灶台到火箭的最后一步。笔者在此挑选几款即将或者已经走到应用阶段的发动机作为案例。

▲ 2016 年7 月，猛禽发动机首次点火测试

2009 年，一个名为“猛禽”的发动机项目名称从太空探索技术公司透露了出来。目前，我们已经知道“猛禽”是一个性能极为强大的液氧甲烷发动机，但是在当时，其计划采用的是液氢液氧动力，并且是作为一型上面级发动机来研发。2012 年末，太空探索技术公司总裁马斯克对媒体透露，公司正在研发的猛禽发动机将将采用液氧甲烷作为动力，并将在未来驱动预想中的大型火箭前往太空。马斯克认为，如果未来人类要去殖民火星，甲烷将是火箭最理想的燃料，因为火星大气中含有大量二氧化碳，人类可以通过萨巴蒂尔反应（二氧化碳和氢气混合后，在400 度的高温和金属催化剂作用下可以生成甲烷和水）合成甲烷，实现火箭燃料的本地生产。猛禽发动机在2013 年到2015 年之间，在美国宇航局斯坦尼斯航天中心进行了大量测试，并在2016 年进行了首次点火测试，成为了继苏联RD270 发动机之后，世界上第二个采用了全流量分级燃烧循环的发动机，也代表了目前液氧甲烷发动机的最高水平。

▲ 猛禽1 型与2 型的对比图，可以看出2 型的体积显著小于1 型，外观也更简洁

在一连串计划变更后，强大的猛禽发动机成为“星舰”的主要动力，并且从最初的猛禽1 型改进到了如今的猛禽2 型。猛禽2 型与1 型相比已经大不相同，在降低了重量的同时，猛禽2 型的最大海平面推力达到了230 吨以上。据马斯克称，其室压已经能达到30 兆帕，测试时最高甚至达到了33 兆帕而没有发生爆炸，海平面比冲约为330 秒，并将在未来持续改进，用于“星舰”上。就目前来说，猛禽2 型是世界上最强大的液氧甲烷发动机。

▲ 2023 年4 月20 日，星舰从得克萨斯州博卡奇卡基地起飞

▲ BE-4 发动机进行点火测试

▲ 火神火箭的一级已经上台进行了测试，预计今年7 月份首飞

2023 年4 月20 日，安 装 有33台猛禽2 型的超重型助推器和星舰组合体从美国得克萨斯州博卡奇卡基地起飞，此次发射中多台发动机在起飞后便失效或工作不正常，组合体在飞行中由于推力矢量控制系统失效导致姿态逐渐发散，最后在39 千米高度受控爆炸。从事后的分析报告中可以看出，目前版本的猛禽2 型的可靠性亟待提升。

另一款相当重要的发动机是来自“蓝色起源”的BE-4 发动机。这个发动机的光环也许没有“猛禽”耀眼，但是其毫无疑问将在未来的美国航天发射中扮演举足轻重的角色。BE-4发动机早在2011 年就在公司内部进行研发，但是直到2014 年才对外发出公告，让大家认识了这款全新的液氧甲烷发动机。2014 年克里米亚危机爆发，美俄关系日渐走低，使用俄罗斯RD180 液氧煤油发动机作为主要动力的宇宙神5 火箭在这种背景下变得尴尬，因为那一年，美国国会起草了禁止未来使用俄罗斯制造的RD180发动机的立法。在经过了一系列论证后，联合发射联盟决定在两款待选发动机中，选择BE-4 发动机用在未来联合发射联盟的顶梁柱——火神火箭上。而BE-4 发动机也将会出现在“蓝色起源”自研的重型火箭——新格伦火箭上，不过新格伦火箭目前进展仍然处于未知状态。

BE-4发动机采用分级燃烧循环，其海平面推力为240 吨，室压约为13.4 兆帕，比冲目前没有官方数据，但根据猜测其比冲数据应与RD180类似。相比于来自太空探索技术公司的竞争对手，BE-4 发动机的首飞则一直因为各种原因不断推迟。目前，火神火箭首飞箭的全箭湿彩排已经推迟到了今年7 月份，预计在今年第三季度首飞。

看完了美国的，不妨我们回过头来看看来自中国的液氧甲烷发动机。早在上世纪80 年代，我国就开展了液氧甲烷发动机的预究工作，先后进行了甲烷、丙烷的电传热试验和推力室点火试验，取得了初步的研究成果。之后在“十一五”“十二五”规划下，北京、上海、西安的航天动力研究所进行了大量液氧甲烷动力的相关研究，为中国液氧甲烷发动机落地打下了坚实基础。目前我国有多家民营企业诸如“蓝箭航天”“九州云箭”“星际荣耀”等正在进行液氧甲烷发动机的开发。目前进展最快的是“蓝箭航天”研制的天鹊-12 液氧甲烷发动机，其采用了燃气发生器循环，其海平面推力达到67 吨，海平面比冲达到286秒，真空推力达到80 吨，真空比冲达到337 秒，室压约为10 兆帕，当“朱雀二号”起飞时，一级的4 台天鹊-12发动机能提供268 吨的推力。“蓝箭航天”目前还在持续改进天鹊-12 发动机，2022 年8 月，该公司成功测试了天鹊-12A 发动机，与原型号相比，发动机推力提高了9%，比冲提高了40 米/秒，发动机重量减轻了100 千克。

朱雀二号遥一火箭在2022 年12月14 日进行了首飞，成为了世界上第一个尝试入轨的液氧甲烷火箭。一级飞行、一二级分离、二级点火、整流罩分离均正常，但二级主机关机后游机异常关机，发射任务失利。根据公司归零评审会议，查明了故障原因和故障机理，二级游机异常关机故障定位于游机氧输送管与氧泵低压壳体连接部位刚度不匹配，低压壳体存在强度裕度不足，在主机关机水击作用下氧泵低压壳体破裂，引发游机异常关机故障。针对故障原因和机理，“蓝箭航天”采取了多项改进措施提高结构安全系数、减小水击影响，改进措施经过仿真分析计算和地面试车考核验证有效，能够满足飞行要求。目前公司正在准备第二次试飞工作。

▲ 朱雀二号底部的四台天鹊-12 发动机

除了这些民营企业正在研制中的发动机，中国航天科技集团六院也在去年年末在其微信公众号上公布了其“八年九机，争创第一”的口号，其中的“九机”中就包含了正在研制中的80 吨级液氧甲烷发动机和200 吨级液氧甲烷发动机，这两型发动机正在研制中的消息也说明了液氧甲烷发动机未来也会在我国的火箭发动机中占据一席之地。

除了中美两国外，其他国家如俄罗斯、日本、欧洲各国等对于液氧甲烷发动机的研制工作还都处于初级阶段。