液氧甲烷為何成為火箭燃料“新寵”

文/ 湯川學(xué)

▲ 2015 年，美國宇航局在馬歇爾航天中心測試的可能用于未來火星著陸器的甲烷發(fā)動機(jī)

2023 年是各式各樣的新火箭集中上天的一年，這些新火箭將為世界航天注入新活力。若我們細(xì)心留意，幾款新火箭，諸如太空探索技術(shù)公司的“星艦”、“聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟”的火神火箭、“相對論航天”的人族-1 火箭，或者是已經(jīng)首飛過的中國民營企業(yè)“藍(lán)箭航天”的朱雀2 號火箭，都采用了一種對于火箭來說還相對新穎的燃料——甲烷。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)在灶臺上，是我們制作可口佳肴的燃料，為何逐漸成為越來越多火箭發(fā)動機(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？

新時代的寵兒

1931 年3 月，德國火箭先驅(qū)約翰內(nèi)斯·溫克勒在德國德邵附近發(fā)射了人類第一枚液氧甲烷火箭——“休克爾-溫克勒一號”。這枚火箭與如今的火箭長相區(qū)別很大，它的燃料儲存于管中，只有一個發(fā)動機(jī)位于火箭中央。它并沒有達(dá)到預(yù)期高度，在那個年代，這樣的火箭也很難有實(shí)用價值，但仍在火箭發(fā)展史上留下了自己的名字。

隨著世界上第一顆衛(wèi)星斯普特尼克一號和世界上第一位航天員尤里·加加林進(jìn)入太空，蘇聯(lián)和美國的太空競賽時代全面開啟，兩國的火箭發(fā)動機(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)動機(jī)研發(fā)技術(shù)上十分先進(jìn)，曾誕生過許多如今可以被看做“奇葩”的火箭發(fā)動機(jī)，各個設(shè)計局的各式各樣的發(fā)動機(jī)爭奇斗艷，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)動機(jī)主要以煤油和各類自燃常溫燃料作為主要燃料；而在大洋彼岸，美國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。

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)時候，天然氣作為一種化石能源并沒有受到重視。作為一種能源來說它地位不高，這主要是由于當(dāng)時的天然氣液化技術(shù)尚不成熟，天然氣處理技術(shù)并不先進(jìn)，使用起來成本也較高，在當(dāng)時并沒有受到歡迎。隨著時代和技術(shù)的發(fā)展，天然氣在世界化石能源交易中的占比越來越大。1970 年世界天然氣貿(mào)易量不過區(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)超過了1 萬億立方米，諸如日本等國家已經(jīng)將天然氣作為主要能源來源，其地位相比于半個世紀(jì)之前大大提升。

隨著天然氣逐漸走入千家萬戶，走到了各個家庭的廚房灶臺上，成本低廉、來源廣泛的優(yōu)勢使得其逐漸成為火箭發(fā)動機(jī)可供選擇的燃料。生產(chǎn)出來的天然氣在經(jīng)過提純處理并達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)后，就可以作為火箭發(fā)動機(jī)的燃料，甚至有的氣田生產(chǎn)出來的天然氣品質(zhì)極好，含硫量低且甲烷含量高，這樣的天然氣在經(jīng)過液化后無須提純等步驟就可以直接作為火箭發(fā)動機(jī)的燃料。要達(dá)到火箭發(fā)動機(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)動機(jī)部件遭到侵蝕。為了讓火箭發(fā)動機(jī)達(dá)到最佳性能，燃料中甲烷的含量最好在96%以上。

▲ 隨著人類對于天然氣的處理能力越來越強(qiáng)，天然氣在世界能源市場中已經(jīng)不可或缺

在性能上，與液氧煤油相比，液氧甲烷有其獨(dú)特優(yōu)勢。在密度上，在相同設(shè)計條件下，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，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，這對于發(fā)動機(jī)壽命來說相當(dāng)友好。在發(fā)動機(jī)維護(hù)性上，甲烷有著天生的優(yōu)勢，在如今可回收為火箭發(fā)展大趨勢的背景下，使用煤油發(fā)動機(jī)的火箭回收后還需要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行清洗作業(yè)，在一段時間后才能重新使用，而甲烷發(fā)動機(jī)在回收后，只需讓燃料自然揮發(fā)即可，無需清洗，在快速復(fù)用方面相較于煤油有著顯著優(yōu)勢。而對于火箭本身來說，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，因此做共底儲箱十分方便，共底儲箱可以有效降低儲箱重量和縮短長度，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。并且由于液態(tài)甲烷作為一種低溫燃料易揮發(fā)，因此儲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，因此甲烷成為新時代的寵兒也就不足為奇了。

甲烷燃料實(shí)用化的早期探索

在20 世紀(jì)60 年代，美國最早開始了甲烷燃料實(shí)用化的探索，之后美國也幾乎完全主導(dǎo)了液氧甲烷發(fā)動機(jī)技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。來自美國宇航局的一支研究團(tuán)隊在60 年代末將一臺RL10 氫氧發(fā)動機(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)動機(jī)的研究報告。這份報告對未來甲烷發(fā)動機(jī)的研制設(shè)計有著重要的參考意義。

▲ 用于甲烷燃料測試的RL10 發(fā)動機(jī)

20 世紀(jì)80 年代初，美國宇航局蘭利研究中心開展了以甲烷為動力的可重復(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?！八街懫?42”的發(fā)展背景較為復(fù)雜，簡單地說這是一個有潛力替代航天飛機(jī)的可復(fù)用載人貨運(yùn)航天器，但這個航天器本身卻未能滿足當(dāng)時的需求。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)計時，設(shè)計團(tuán)隊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，來自俄羅斯的“聯(lián)盟號”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，因此該項目便悄無聲息的被取消了。不過其前身“水平著陸器-20”的設(shè)計最終流轉(zhuǎn)到了追夢者航天飛機(jī)上。

▲ “水平著陸器-20”想象圖

2005 年，美國宇航局開展了低溫推進(jìn)劑發(fā)展項目（以下簡稱PCAD 項目）。PCAD 項目主要是為了配合當(dāng)時的星座計劃而設(shè)置的，主要用于開發(fā)勘探任務(wù)的推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)。PCAD項目受到美國宇航局勘探系統(tǒng)任務(wù)局的勘探技術(shù)開發(fā)計劃資助，其研究集中在無毒綠色推進(jìn)劑上，以滿足星座計劃對于深空探索任務(wù)的需求。在星座計劃中，與獵戶座飛船搭配的登月艙的上升器將會使用液氧甲烷燃料。在PCAD 項目中，美國宇航局的研究人員對液氧甲烷發(fā)動機(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)動機(jī)燃料噴嘴、甲烷發(fā)動機(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，用多種不同型號的發(fā)動機(jī)進(jìn)行了多次時間超過百秒的點(diǎn)火測試，充分驗(yàn)證了甲烷作為火箭燃料的可行性和強(qiáng)大性能。

經(jīng)過了20 世紀(jì)的默默無聞后，甲烷在21 世紀(jì)的第一個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，直到時間進(jìn)入了21 世紀(jì)的第二個十年，情況有了變化。

碩果落地

時間進(jìn)入21 世紀(jì)的第二個十年，液氧甲烷發(fā)動機(jī)經(jīng)過多年的技術(shù)沉淀終于要走到實(shí)用化階段，完成從灶臺到火箭的最后一步。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)動機(jī)作為案例。

▲ 2016 年7 月，猛禽發(fā)動機(jī)首次點(diǎn)火測試

2009 年，一個名為“猛禽”的發(fā)動機(jī)項目名稱從太空探索技術(shù)公司透露了出來。目前，我們已經(jīng)知道“猛禽”是一個性能極為強(qiáng)大的液氧甲烷發(fā)動機(jī)，但是在當(dāng)時，其計劃采用的是液氫液氧動力，并且是作為一型上面級發(fā)動機(jī)來研發(fā)。2012 年末，太空探索技術(shù)公司總裁馬斯克對媒體透露，公司正在研發(fā)的猛禽發(fā)動機(jī)將將采用液氧甲烷作為動力，并將在未來驅(qū)動預(yù)想中的大型火箭前往太空。馬斯克認(rèn)為，如果未來人類要去殖民火星，甲烷將是火箭最理想的燃料，因?yàn)榛鹦谴髿庵泻写罅慷趸?，人類可以通過薩巴蒂爾反應(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)動機(jī)在2013 年到2015 年之間，在美國宇航局斯坦尼斯航天中心進(jìn)行了大量測試，并在2016 年進(jìn)行了首次點(diǎn)火測試，成為了繼蘇聯(lián)RD270 發(fā)動機(jī)之后，世界上第二個采用了全流量分級燃燒循環(huán)的發(fā)動機(jī)，也代表了目前液氧甲烷發(fā)動機(jī)的最高水平。

▲ 猛禽1 型與2 型的對比圖，可以看出2 型的體積顯著小于1 型，外觀也更簡潔

在一連串計劃變更后，強(qiáng)大的猛禽發(fā)動機(jī)成為“星艦”的主要動力，并且從最初的猛禽1 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，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，其室壓已經(jīng)能達(dá)到30 兆帕，測試時最高甚至達(dá)到了33 兆帕而沒有發(fā)生爆炸，海平面比沖約為330 秒，并將在未來持續(xù)改進(jìn)，用于“星艦”上。就目前來說，猛禽2 型是世界上最強(qiáng)大的液氧甲烷發(fā)動機(jī)。

▲ 2023 年4 月20 日，星艦從得克薩斯州博卡奇卡基地起飛

▲ BE-4 發(fā)動機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火測試

▲ 火神火箭的一級已經(jīng)上臺進(jìn)行了測試，預(yù)計今年7 月份首飛

2023 年4 月20 日，安 裝 有33臺猛禽2 型的超重型助推器和星艦組合體從美國得克薩斯州博卡奇卡基地起飛，此次發(fā)射中多臺發(fā)動機(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)動機(jī)是來自“藍(lán)色起源”的BE-4 發(fā)動機(jī)。這個發(fā)動機(jī)的光環(huán)也許沒有“猛禽”耀眼，但是其毫無疑問將在未來的美國航天發(fā)射中扮演舉足輕重的角色。BE-4發(fā)動機(jī)早在2011 年就在公司內(nèi)部進(jìn)行研發(fā)，但是直到2014 年才對外發(fā)出公告，讓大家認(rèn)識了這款全新的液氧甲烷發(fā)動機(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)動機(jī)作為主要動力的宇宙神5 火箭在這種背景下變得尷尬，因?yàn)槟且荒辏绹鴩鴷鸩萘私刮磥硎褂枚砹_斯制造的RD180發(fā)動機(jī)的立法。在經(jīng)過了一系列論證后，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟決定在兩款待選發(fā)動機(jī)中，選擇BE-4 發(fā)動機(jī)用在未來聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的頂梁柱——火神火箭上。而BE-4 發(fā)動機(jī)也將會出現(xiàn)在“藍(lán)色起源”自研的重型火箭——新格倫火箭上，不過新格倫火箭目前進(jìn)展仍然處于未知狀態(tài)。

BE-4發(fā)動機(jī)采用分級燃燒循環(huán)，其海平面推力為240 噸，室壓約為13.4 兆帕，比沖目前沒有官方數(shù)據(jù)，但根據(jù)猜測其比沖數(shù)據(jù)應(yīng)與RD180類似。相比于來自太空探索技術(shù)公司的競爭對手，BE-4 發(fā)動機(jī)的首飛則一直因?yàn)楦鞣N原因不斷推遲。目前，火神火箭首飛箭的全箭濕彩排已經(jīng)推遲到了今年7 月份，預(yù)計在今年第三季度首飛。

看完了美國的，不妨我們回過頭來看看來自中國的液氧甲烷發(fā)動機(jī)。早在上世紀(jì)80 年代，我國就開展了液氧甲烷發(fā)動機(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、西安的航天動力研究所進(jìn)行了大量液氧甲烷動力的相關(guān)研究，為中國液氧甲烷發(fā)動機(jī)落地打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。目前我國有多家民營企業(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)動機(jī)的開發(fā)。目前進(jìn)展最快的是“藍(lán)箭航天”研制的天鵲-12 液氧甲烷發(fā)動機(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”起飛時，一級的4 臺天鵲-12發(fā)動機(jī)能提供268 噸的推力?！八{(lán)箭航天”目前還在持續(xù)改進(jìn)天鵲-12 發(fā)動機(jī)，2022 年8 月，該公司成功測試了天鵲-12A 發(fā)動機(jī)，與原型號相比，發(fā)動機(jī)推力提高了9%，比沖提高了40 米/秒，發(fā)動機(jī)重量減輕了100 千克。

朱雀二號遙一火箭在2022 年12月14 日進(jìn)行了首飛，成為了世界上第一個嘗試入軌的液氧甲烷火箭。一級飛行、一二級分離、二級點(diǎn)火、整流罩分離均正常，但二級主機(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)公司歸零評審會議，查明了故障原因和故障機(jī)理，二級游機(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。針對故障原因和機(jī)理，“藍(lán)箭航天”采取了多項改進(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)過仿真分析計算和地面試車考核驗(yàn)證有效，能夠滿足飛行要求。目前公司正在準(zhǔn)備第二次試飛工作。

▲ 朱雀二號底部的四臺天鵲-12 發(fā)動機(jī)

除了這些民營企業(yè)正在研制中的發(fā)動機(jī)，中國航天科技集團(tuán)六院也在去年年末在其微信公眾號上公布了其“八年九機(jī)，爭創(chuàng)第一”的口號，其中的“九機(jī)”中就包含了正在研制中的80 噸級液氧甲烷發(fā)動機(jī)和200 噸級液氧甲烷發(fā)動機(jī)，這兩型發(fā)動機(jī)正在研制中的消息也說明了液氧甲烷發(fā)動機(jī)未來也會在我國的火箭發(fā)動機(jī)中占據(jù)一席之地。

除了中美兩國外，其他國家如俄羅斯、日本、歐洲各國等對于液氧甲烷發(fā)動機(jī)的研制工作還都處于初級階段。