全球首枚液氧甲烷火箭入轨我们为什么要发射朱雀二号

边雪

大风呼啸，人迹罕至。虽位于巴丹吉林沙漠深处，酒泉卫星发射中心正在书写着人类航天的史书。

2023年7月12日9时，由蓝箭航天空间科技股份有限公司自主研制的朱雀二号遥二液氧甲烷运载火箭（代号“ZQ-2 Y2”）在我国酒泉卫星发射中心发射成功，火箭进入预定轨道飞行，试验任务取得圆满成功。

“成了！”在发射现场的文昌航天科普协会负责人、航天摄影师王禹博告诉封面新闻记者，“我们成功了！人类第一！”

本次发射成功的朱雀二号，成为全球首款成功入轨飞行的液氧甲烷火箭，标志着中国运载火箭在新型低成本液体推进剂应用方面取得重大突破。

据蓝箭航天工作人员介绍，朱雀二号运载火箭为液氧甲烷火箭是蓝箭航天自主研制的一款新型双低温液体燃料运载火箭，也是中国商业火箭领域唯一通過自主研制的全箭动力系统开展飞行验证的液体火箭。

朱雀二号为两级液体运载火箭，直径3.35m，全长49.5m，总重216吨，起飞总推力268吨，500km高度太阳同步轨道运力4吨，200km近地轨道运力6吨，可以将两辆标准SUV轿车同时送入太空。

火箭一级采用 4 台“天鹊”80 吨液氧甲烷发动机并联；火箭二级发动机采用单台“天鹊”80 吨液氧甲烷发动机和“天鹊”10 吨级游动液氧甲烷发动机，主机构型与一级发动机单机相同。火箭级间分离采用冷分离方式，整流罩分离采用旋抛分离方式。

该火箭是属于我国民营企业之中研究的最大火箭，也是首枚液体火箭与首枚液氧甲烷火箭，其特性包括环保、无毒、无污染。值得注意的是，朱雀二号采用一体化集成电气系统，推进剂成本降低50%～90%，实现标准化、通用化，全箭零部件种类减少50%。所以，成功的话，未来将使得我国航天发展走向一个新阶梯。

朱雀二号的成功发射，意义非凡。全国空间探测技术首席科学传播专家、中国空间科学传播专家工作室首席科学传播专家庞之浩在接受采访时表示，本次（朱雀二号）发射成功第一个意义就是作为世界首款成功入轨飞行的液氧甲烷火箭。国外也有航天公司试了几次，都没有成功，包括马斯克的星舰也是用液氧甲烷作为原料，这也代表了一个发展趋势。“本次发射成功，也给我们民营航天公司很大的振奋啊，在未来，我们对民营航天公司还更有信心了。”

近年来，甲烷火箭的发射失败不在少数，但为什么还要发展液氧甲烷发动机？

答案就在甲烷的燃烧性质与商业化火箭的发射需求中。

首先，甲烷是一种清洁推进剂。甲烷是一种有机化合物，分子式是CH4，是含碳量最小、含氢量最大的烃。甲烷在自然界的分布很广，是天然气、沼气、坑气等的主要成分。作为燃料，甲烷在氧气中燃烧的产物是二氧化碳和水，是一种清洁燃料，对于运载火箭而言也是一种清洁燃烧剂。

其次，甲烷的能量密度尚佳，在用作火箭燃烧剂时，气态甲烷首先需要进行液化，液态甲烷的沸点温度为-161.5℃，密度约为0.42千克/立方分米（0.42吨/立方米），密度远高于液氢的0.0708千克/立方分米，低于RP-1煤油的0.81千克/立方分米，体积能量密度适中，装载相同质量推进剂贮箱大于煤油，远小于液氢。一般航空煤油的质量能量密度（比能量）为41.84～42.89兆焦/千克（MJ/kg），液氢的质量能量密度约为120兆焦/千克，液态甲烷的质量能量密度是50兆焦/千克，液态甲烷的比能量是煤油的116%、液氢的42%，比能量适中。在此基础上，液氧甲烷发动机的比冲也适中，理论比冲为355秒，高于液氧煤油发动机的344秒，低于液氢液氧发动机的445秒。

再次，甲烷还有极低的使用成本。在目前主流的推进剂当中，液氢的生产成本是最高的，单位生产成本达到500元/千克，然后是煤油，单位生产成本超过10元/千克，而液态甲烷的生产成本最低，仅有5元/千克。相较而言，液态甲烷的单位生产成本不到煤油的1/2，仅有液氢的1/100。（注：液氢、煤油、液态甲烷单位生产成本为我国2019年及以前的数据，同时具体成本世界各国区别明显。）

最后，甲烷天生更适于共底贮箱。在液氢/液氧、液氧/煤油、液氧/液态甲烷3组双组元推进剂当中，液氧/液态甲烷是燃烧剂和氧化剂温差最小的一组，其中液态甲烷的沸点是-161.5℃，液氧的沸点是-182.96℃，温区相近，温差仅有21.46℃，设计使用共底贮箱相对简单。相反，液氢/液氧推进剂中，液氢的沸点达到-252.78℃，比液氧-222.65℃的凝点还低30.13度，液氧/煤油推进剂中，煤油的凝固点是－47℃，液氧沸点比其低135.96℃，对于采用这两组推进剂的火箭而言，需要使用绝热共底贮箱，生产工艺复杂、质量控制严格，还会增加火箭高度。

液氧甲烷相较于液氧、煤油比较便宜、污染小，基本可以算作没有污染。此外，液氧甲烷不结痂，在火箭发射中可以实现重复使用。庞之浩表示，液氧甲烷的燃料还可以在火星探测或者航天员登火星时使用。

随着人类进入太空的规模不断扩大，实现运载火箭的回收复用已经势在必行。更利于回收复用的甲烷自然也成为航天公司研发的重点。

“液氧甲烷火箭是蓝箭在创业之初就选定的发展方向，液氧甲烷更容易获取，并且对未来可重复使用火箭的开发更加有利。”蓝箭航天董事长兼CEO张昌武在接受媒体采访时表示，国家在过去60多年里，围绕液氧煤油、氢氧类的发动机，已经做了很多开发工作，并且产品都已经非常成熟，在这样的背景下，技术上新的突破才能在市场上有自己的一席之地。“通过一型可以实现更低的成本、更好地实现重复使用的火箭，可以建立我们的竞争力，同时还能填补航天领域的这个空白。”

在液氧甲烷发动机领域，中国是世界上除美国外处于前列的国家。

据封面新闻此前报道，马斯克旗下的SpaceX的“猎鹰九号”和“重型猎鹰”，已经实现了芯一级、助推器、整流罩的多次回收复用，该系列火箭使用的是液氧煤油推进剂，发动机会存在明显的结焦和积炭的问题，这为多次回收复用带来了明显障碍，而如果将推进剂换成液氧甲烷，问题就会迎刃而解。

2023年4月20日，SpaceX公司的“星舰”火箭发射升空，但在飞行过程中爆炸解体，该火箭全箭共使用了36台230吨级的“猛禽”液氧甲烷发动机。马斯克当月晚些时候在社交平台上表示，一到两个月内或准备再次试射“星舰”。

“星舰”首飞未获成功后，SpaceX 公司陆续进行了首飞失利分析、发射场修整、发射架方案优化等，第二枚“星舰”目前已经完成总装工作，将在未来几个月内进行第二次发射。马斯克上月表示，“星舰”首次发射未能成功后，公司已经对其进行了 1000 多项修改，最引人注目的是火箭的超重助推器和飞船部分改为热分离技术，即在飞船上的发动机点火时，超重型助推器仍与它相连。

受商业航天公司崛起的影响，我国也涌现出一批瞄准了商业火箭发射场，开始开发液氧甲烷发动机的民营航天企业。

值得注意的是，朱雀二号采用一体化集成电气系统，推进剂成本降低50% ～ 90%，实现标准化、通用化，全箭零部件种类减少50%。所以，成功的话，未来将使得我国航天发展走向一个新阶梯。

本次成功發射朱雀二号的北京蓝箭航天公司，成立于2015年，2016年下半年着手研发液体火箭发动机，目前致力于研制以液氧甲烷发动机为动力的大中型火箭。

2022年11月，蓝箭航天自主研制的朱雀二号运载火箭（遥二）主要部组件齐套，在嘉兴蓝箭航天中心开始总装工作。该火箭为两级运载火箭，一级采用4台天鹊12系列80吨级液氧甲烷发动机并联，二级采用单台天鹊12系列发动机和一台10吨级天鹊11发动机游机。

2022年12月14日16时30分，蓝箭航天在酒泉卫星发射中心执行朱雀二号遥二首次飞行试验，火箭一、二级主机工作正常，由于二级的天鹊11游机工作异常，最终发射任务未能成功。尽管朱雀二号这次不幸未能成为全球首款成功入轨的液氧甲烷火箭，但火箭仍飞越了卡门线（海拔100km）。

朱雀二号火箭在经历2023年失利归零后，终于迎来了胜利。王禹博在发射成功一小时后，接受封面新闻记者采访时，仍然难掩激动心情。“本次火箭是首枚以液氧甲烷为燃料并且成功入轨，在经历2023年的失利后我们一度认为要丢失‘人类第一’的称号，然而美国相对论公司人族1号、SpaceX公司星舰都没能做到的事情，ULA公司火神号接续经历失败、爆炸、推迟等一系列问题，机会又回到了我们手中。”

“当测发大厅传来： 二级发动机关机、星舰分离，人群沸腾了。道路再泥泞，我们终将跨越。今天，我站在这里，为祖国自豪。”王禹博告诉封面新闻记者。

◎ 来源|封面新闻