液氧甲烷发动机：火箭发动机里的“经济适用男”

让吨级甚至百吨级的物体脱离地球引力，火箭发动机必须自带巨大爆发力，还必须不被爆炸所波及。为什么液氧甲烷发动机的试车成功意义重大？它与目前火箭使用的主流燃料相比又有哪些特点呢？

实力担当，大推力满足星座布局

“商业企业的低轨卫星系统组建，正在进入批量发射阶段，它必然需要中型火箭来实现更加快速、更加经济的发射保障。”蓝箭航天CEO张昌武认为，市场需求正在倒逼“一箭多星”成为常态。

液体燃料拥有比固体燃料更大的推力潜力。因此相较于固体燃料火箭而言，液体燃料火箭能托起更多的卫星，更实际的问题是，卫星的实际重量经常会比预期的重，这也要求火箭有大范围的承载能力。

液氧甲烷火箭发动机以甲烷为推进剂，液氧为助燃剂，二者以一定的比例雾化后进入燃烧室，充分燃烧后释放巨大的推动力，推动火箭升空。比冲高于固体燃料火箭发动机。比冲是用于衡量火箭或飞机发动机效率的重要物理参数，比冲越高代表相同质量的燃料产生的动量越大。

此外，液氧甲烷火箭发动机之所以是“一箭多星”主角的实力担当，还因为它能够完成多次启动的任务。固体燃料发动机一旦启动，中途停止燃烧非常困难，一般一直会燃烧到所有的推进剂烧光为止，而液体燃料火箭可通过关闭阀门停止推进剂的流入，从而关闭发动机。张昌武说：“不同轨道的多星布轨，需要在轨具备多次启动的功能，将卫星布入不同轨道，液体燃料火箭具备这样的能力。而固体燃料发动机，无法进行多次启动，只适用提供短期大推力，例如用于起飞阶段的助推。”

张昌武解释，装配液氧甲烷发动机的“朱雀二号”火箭，其低轨运载能力将在4到5吨之间，可以满足批量发射的需求。如果卫星的重量在300到500公斤之间，将实现一次10星到20星的发射，这将大大满足国内星座建设的要求。

它的实力还在后续的开发中不断增长。“目前采用的燃料循环方式仍可以进一步优化，此外发动机本身如果采用新材料和新工艺替代的话，自重至少能减30%，这也将大大增加火箭的承载力。”型号设计总师祖成说。

摆脱积碳，奠定可复用基础

液体火箭发动机大家族除了液氧甲烷发动机之外，还有液氧液氢发动机和液氧煤油发动机。如果液氧液氢发动机是“白富美”，液氧煤油发动机是“黑铁牛”，那么液氧甲烷发动机堪称“经适男”。

液氧煤油发动机中，液氧是助燃剂，煤油是推力剂。煤油的碳链较长，碳元素的占比大大高于甲烷，因此其燃烧非常容易积碳结焦。“这其实很好理解，以前烧煤油会冒黑烟，而烧天然气就是纯净的蓝色火焰。”相关专家解释。

由于燃烧后几乎可以做到“了无痕迹”的优点，液氧甲烷发动机天然成为可重复使用发动机的潜力股。“我们6天内进行了4次试车，这对于传统燃料发动机来说频率算比较高了。”祖成说，而且这是使用同一台发动机，无需拆解、重新准备。

除此之外，液氧甲烷发动机的技术门槛也远远低于液氧液氢发动机。与比冲最高的液氧液氢发动机相比，液氧甲烷发动机设计难度小。蓝箭航天动力研发部推力室负责人袁宇将其归结为甲烷好“驯服”，而液氢密度太低，要将其压缩需要极大转速的压力泵，才能让它完成充分混合。“在氢氧发动机里面有两个泵，一个氢泵，一个氧泵，燃气发动机出来的燃气有80%的功率要给氢泵。”袁宇说，此外，液氧液氢发动机贮存燃料箱的工艺难度也大，液氢-253℃，液氧-182℃，两者温度差距大要做隔热，而液氧和甲烷的温度相近，工艺难度大大降低。

综合对比来讲，无论是从成本出发还是从目标任务出发，液氧甲烷发动机将大大降低火箭的发射成本，让平凡人触摸太空的梦想越来越近。

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