北京時間2023年12月9日07時39分，朱雀二號遙三運載火箭在我國酒泉衛星發射中心發射升空，將搭載的鴻鵠衛星、天儀(yi) 33衛星及鴻鵠二號衛星順利送入預定軌道，發射任務獲得圓滿成功。此次任務是朱雀二號運載火箭第3次飛行。

（圖片來源：我們(men) 的太空）

本次“一箭三星”商業(ye) 發射任務勝利收官，標誌著朱雀二號作為(wei) 全球首款連續發射成功的液氧甲烷運載火箭，其技術狀態成熟度和穩定性得到進一步驗證，可靠性達到商業(ye) 化發射交付要求。藍箭航天也成為(wei) 國內(nei) 民商航天中最早實現中大型液體(ti) 運載火箭連續發射成功的企業(ye) ，率先開啟了國內(nei) 主流液體(ti) 火箭規模化商業(ye) 發射的新階段。

（圖片來源：藍箭航天）

朱雀二號是枚怎樣的火箭？

朱雀二號是我國首型以液氧甲烷為(wei) 推進劑的中型液體(ti) 火箭，具有自主星空体育官网入口网站產(chan) 權，致力於(yu) 為(wei) 客戶提供低成本、高可靠的發射服務，滿足多場景下的商業(ye) 發射需求。全箭總長49.5m，箭體(ti) 直徑3.35m，起飛質量220噸（不含有效載荷），起飛推力268噸。火箭一級采用4台天鵲80噸級液氧甲烷發動機並聯，二級采用1台天鵲80噸級液氧甲烷發動機和1台天鵲10噸級遊動液氧甲烷發動機組合而成。運載能力為(wei) 500km太陽同步軌道1.5噸，後續改進型可達到500km太陽同步軌道運載能力4噸，能夠滿足近地軌道衛星部署和飛船發射的需求。

此前，朱雀二號遙二火箭已於(yu) 2023年7月12日實施發射，一舉(ju) 奪得全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭桂冠，填補了我國液氧甲烷火箭技術路線的空白。

（圖片來源：藍箭航天）

此次朱雀二號遙三火箭成功將天儀(yi) 研究院研製的鴻鵠衛星和天儀(yi) 33衛星，鴻擎科技研製的鴻鵠二號衛星送入460km太陽同步軌道，係該型火箭成功執行一箭多星商業(ye) 發射任務，代表藍箭航天在商業(ye) 化運營能力建設方麵取得了穩步進展。

運載火箭，液態燃料才是王道

49.5米的身高，219噸的起飛質量，朱雀二號作為(wei) 一款中型運載火箭，乍一看上去並無多少亮眼之處，但實際上，朱雀二號在國內(nei) 外商業(ye) 航天界絕對是一款劃時代的產(chan) 品。

（圖片來源：我們(men) 的天空）

首先，朱雀二號遙二火箭的成功發射本身就創造了一項世界記錄：它是世界首款成功發射入軌的液氧甲烷運載火箭。注意這裏的關(guan) 鍵詞：“液氧甲烷”，這就要從(cong) 為(wei) 朱雀二號提供強大動力的“天鵲”係列火箭發動機說起了。

從(cong) 原理上來講，火箭實際就是利用自身攜帶的推進劑發生反應，產(chan) 生高速噴射的熱氣流來推進的動力裝置。對於(yu) 以空間運輸為(wei) 主要任務的運載火箭而言，其發動機有四種主流推進劑方案可供選擇：固體(ti) 燃料、四氧化二氮/偏二甲肼、液氧煤油和液氧液氫。首先是固體(ti) 推進劑方案，這應該算是曆史最悠久的火箭動力燃料了，古代用黑火藥作為(wei) 燃料的原始火箭就屬於(yu) 固體(ti) 火箭的一種。這種推進劑的優(you) 點是易於(yu) 長期貯存，能夠應對突發情況，技術簡單等。但短板也是非常明顯，比如比衝(chong) 小、推力不可調等。

這裏就涉及到一個(ge) 關(guan) 鍵概念：比衝(chong) ，即單位推進劑的量所產(chan) 生的衝(chong) 量，單位是秒(s)。可以理解為(wei) 一個(ge) 單位質量的推進劑產(chan) 生一個(ge) 單位的推力能夠持續的時間，這是衡量火箭發動機動力的重要參數，一般而言，比衝(chong) 值越大，就表明火箭的動力性能越優(you) 越。顯然，比衝(chong) 值普遍較小的固體(ti) 火箭難以擔當運載火箭發射的重任，隻能作為(wei) 輔助動力登場。比如航天飛機發射時配備的兩(liang) 枚白色助推火箭就是使用了固體(ti) 推進劑。

而如今主流的運載火箭的主發動機基本都是采用液體(ti) 推進劑方案，與(yu) 固體(ti) 推進劑不同，這類方案中推進劑分為(wei) 液態燃料和液態氧化劑兩(liang) 類，他們(men) 在運載火箭發動機上一般是分別貯存在兩(liang) 個(ge) 空間中，在進入燃燒室後激烈反應後產(chan) 生推力。在所有液體(ti) 推進劑方案中，液氧是最為(wei) 悠久的氧化劑，1926年人類曆史上第一枚液體(ti) 燃料火箭就使用了液氧（氧化劑）+汽油（燃料劑）的方案，同時也是最為(wei) 高效廉價(jia) 的氧化劑，很多主流運載火箭的主力發動機都采用液氧為(wei) 氧化劑，不同是與(yu) 之搭配的燃燒劑。這其中液氧+煤油、液氧+液氫是應用最廣泛的搭配方案。

▲SpaceX位於(yu) 肯尼迪航天發射中心的液氧儲(chu) 罐(圖片來源：SpaceX)

我們(men) 知道，氫氣的燃燒能量驚人，每克氫氣充分燃燒後能夠釋放約141千焦的能量，這讓它雄居人類已知燃料劑能量榜榜首。從(cong) 最大程度提升火箭動力的角度來看，液氧與(yu) 液氫是最佳選擇，他們(men) 能夠讓發動機產(chan) 生最高463.1秒的理論真空比衝(chong) 值。當年運載阿波羅登月飛船的土星5號超重型火箭的第一級與(yu) 第二級發動機，以及擁有人類最大推力的前蘇聯能源號火箭主發動機就采用了液氫液氧推進劑。當然這種推進劑方案也有明顯的缺點：液氫液氧本身就需要在低溫狀態下貯存，而液氧的溫度又比液氫高，加上液氫本身占據的空間就大，這就導致火箭燃料箱與(yu) 氧化劑箱的設計非常複雜，由此帶來的高昂成本基本把將重視節約的商業(ye) 航天拒之門外。

在液氧之外，人們(men) 還曾嚐試用四氧化二氮作為(wei) 氧化劑，搭配偏二甲肼作為(wei) 燃料劑，比如用於(yu) 運送神舟係列載人飛船的長征-2F型火箭，以及俄羅斯的質子M火箭，這類推進劑可以實現常溫保存，但四氧化二氮有劇毒，且本身的製備成本很高，搭配偏二甲肼後產(chan) 生的最大理論真空比衝(chong) 值約在347秒,相比其他液體(ti) 推進劑方案並無明顯優(you) 勢，對於(yu) 商業(ye) 航天而言也不是理想的選擇。

要想實現高性價(jia) 比的發射，商業(ye) 運載火箭還是要回歸到液氧上。

得益於(yu) 火箭貯箱工藝技術的發展，液氧的貯存成本大幅下降，這種易於(yu) 製造和儲(chu) 備的氧化劑成為(wei) 商業(ye) 航天的不二選擇，問題是要以何種燃料劑作為(wei) 它的搭檔。上文提到的液氫由於(yu) 貯存成本過高肯定不在考慮之列，目前很多商業(ye) 航天企業(ye) 采用的是液氧+煤油的方案，這種搭配雖然產(chan) 生的比衝(chong) 值略低於(yu) 液氧+液氫，但煤油的貯存方便，且易獲取，成本容易把控，液氧+煤油的方案能夠產(chan) 生最大367秒的理論真空比衝(chong) 值。土星5號的第一級火箭主發動機，以及SpaceX廣泛使用的“梅林”發動機就是采用這種推進劑方案。但煤油燃燒後會(hui) 產(chan) 生積碳，這給發動機維護帶來不少壓力。

液氧+甲烷，新興(xing) 的火箭推進劑方案

那麽(me) ，在液氧+煤油之外，還有沒有其他更適於(yu) 商業(ye) 航天發射的推進劑呢?

這就要說起天鵲12型所采用的方案：液氧+甲烷。作為(wei) 燃料劑，甲烷擁有一大優(you) 勢：即液態溫度與(yu) 液態氧非常接近，這就省去了如液氧+液氫方案那樣給燃料劑箱和氧化劑箱做隔熱的成本。而且甲烷的密度也遠高於(yu) 液氫，這讓火箭能夠在同等體(ti) 積下加注更多的燃料。最重要的是，甲烷本身的製備成本也低於(yu) 液氫、煤油和偏二甲肼。雖然液氧+甲烷的方案所產(chan) 生的動力還是要比液氧液氫低不少(液氧+甲烷產(chan) 生的最大理論比衝(chong) 值約為(wei) 379秒)，但也已與(yu) 液氧煤油推進劑在伯仲之間，加上本身綠色環保的特點，液氧+甲烷的方案順應了未來新一代運載火箭技術的發展方向。對於(yu) 矢誌追求降本增效的商業(ye) 航天而言，液氧甲烷正在成為(wei) 新寵。

目前世界上的商業(ye) 航天巨頭SpaceX正在全力研發大推力的“猛禽”係列液氧甲烷發動機。這是世界上亮相的第一款液氧甲烷火箭發動機，早在2012年就投入研發，2016年就開始進行全發動機試車。目前已經發展到第三代的猛禽發動機，能在真空中產(chan) 生高達2530千牛的推力，真空比衝(chong) 值更是達到了363秒，要知道當年勢大力沉的土星5號火箭，它所裝備的第二級液氧液氫主發動機J-2型，在這兩(liang) 項的指標也不過是1202千牛和421秒。

▲SpaceX研發的兩(liang) 款液體(ti) 火箭發動機，右為(wei) 采用全流量分級燃燒循環模式的“猛禽”，左為(wei) 采用開式循環的“梅林”（圖片來源：推特）

在SpaceX之外，另一家世界商業(ye) 航天頭部企業(ye) “藍色起源”也非常熱衷於(yu) 液氧甲烷發動機的研發。該公司從(cong) 2011年就啟動了BE-4型液氧甲烷發動機研發項目，2017年進行了首次發動機試車。根據設計要求，BE-4的真空推力將達到2400千牛，真空比衝(chong) 值雖沒有官方數據，但普遍推測在340秒左右。可見這是個(ge) 與(yu) “猛禽”不分伯仲的大力士。

相比於(yu) 這兩(liang) 位重量級選手，“藍箭航天”的天鵲12型發動機隻能算是個(ge) 後進生，首先天鵲12型研製工作在2017年才開始，2019年才完成首次試車，算是世界上第三亮相的液氧甲烷火箭發動機。而且無論是“猛禽”還是BE-4，在設計之處就要求能夠重複使用。雖然都是以液氧甲烷為(wei) 推進劑，但三者的設計思路還是存在明顯差異。發動機裏的燃料劑和氧化劑是需要在燃燒室裏混合燃燒才能產(chan) 生推力，那麽(me) 以什麽(me) 方式讓兩(liang) 者相遇，就會(hui) 劃分出不同的燃燒循環模式。

“猛禽”與(yu) BE-4都采用了“分級燃燒循環模式”，其基本原理就是：燃料劑或氧化劑預先在預燃室進行一次富燃燃燒(大量的燃料與(yu) 少量氧化劑燃燒)或者富氧燃燒(大量的氧化劑和少量的燃料燃燒)，燃燒產(chan) 生的熱量驅動渦輪帶動泵結構輸送燃料或氧化劑。然後產(chan) 生的尾氣送入主燃燒室作最終燃燒產(chan) 生推力。這種模式在很大程度上提高了推進劑的利用率，從(cong) 而增加了發動機的比衝(chong) 量。

但這兩(liang) 者也存在不同，“猛禽”采用的是最為(wei) 大膽激進的“全流量分級燃燒循環”模式。這是分級燃燒循環模式的一種，其實質就是燃料劑和氧化劑都要預先經過富燃和富氧燃燒，故而被稱為(wei) “全流量”，這種模式將發動機推進劑的利用率達到最高，同時延長了發動機的使用壽命，但這種複雜的循環模式也帶來了結構複雜，製造工藝要求高等難題，從(cong) “猛禽”發動機漫長的研發周期就能窺見一斑。相比之下，BE-4的設計要相對保守些，采用基本的分級燃燒循環模式，也就是隻設置一個(ge) 預燃室，隻進行一次富氧燃燒。BE-4燃燒效率要低於(yu) “猛禽“，但研發成本和風險更加可控。不過由於(yu) 種種原因，BE-4目前依舊隻停留在地麵試車階段。

▲幾種液體(ti) 火箭發動機工作模式示意圖（圖片來源：flownex.com）

相比“猛禽“和BE-4發動機的設計，天鵲12型采用了更為(wei) 簡單的“開式循環模式”，這種模式沒有複雜的預燃工況，隻是設置一個(ge) 燃氣發生器，讓部分液氧和甲烷在此燃燒產(chan) 生動力驅動渦輪，再由渦輪驅動燃料泵和氧化劑泵，將液氧和甲烷直接送到主燃料室進行燃燒。與(yu) “分級燃燒循環模式”不同，燃氣發生器所產(chan) 生的尾氣不再二次燃燒，而是直接當作廢氣排放掉，這顯然讓天鵲12型在推進劑利用率上存在一定的短板，但簡單的設計帶來的低成本與(yu) 低風險，卻也非常契合商業(ye) 航天的基本需求。雖然天鵲12型麵世最晚，但研發進度最快，並成功助力朱雀二號摘得全球首個(ge) 成功入軌的液氧甲烷火箭的桂冠。

來源：北京科技報，撰文/段然，部分內(nei) 容綜合藍箭航天、我們(men) 的太空等。

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