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液氧甲烷火箭發動機這幾年真的很火,包括美國的SpaceX和藍色起源和國內的藍箭等多家民營航天企業相繼研發了屬於自己的液氧甲烷火箭發動機,特別是SpaceX最新研製的“猛禽”液氧甲烷火箭最大推力已經達到了200噸,隨著後續改進應該會達到設計目標的350噸推力,這個推力級別已經算是大推力級別的火箭發動機了,而且其使用的甲烷燃料不僅製取簡單、價格便宜,而且甲烷的比衝比煤油的比衝高不少,所以這種燃料便宜、製取簡單、還不會結焦、比衝更高的甲烷燃料就成了包括SpaceX、藍箭這些注重價效比的民營企業相繼研發的新型火箭動力,比如現階段SpaceX的猛禽液氧甲烷火箭發動機最大推力已經達到了200噸,後續改進升級後將達到設計引數的350噸;同樣藍色起源的BE4液氧甲烷火箭發動機已經達到了240噸,後續也會升級到300噸級別;而國內的藍箭自主研製的天鵲液氧甲烷火箭發動機也成功實現了80噸級的長推力試車。

但是現階段不管是國內還是國外研發液氧甲烷火箭發動機的基本都是民營企業,國家隊還沒有看到有涉及液氧甲烷火箭發動機也是有原因的。從液氧煤油轉變到液氧甲烷後,從表面來看,甲烷相比煤油價格更便宜、甲烷還不會有煤油結焦的問題,所以火箭發動機的結構可以更為簡單一些,也提升了火箭發動機的安全可靠性。更重要的是液氧煤油火箭發動機的比衝僅有350S左右,而液氧甲烷雖然達不到液氫液氧的530S左右,但是依然高達450S左右,對於火箭而言,比衝的高低直接決定了一枚火箭的載荷比。所以從表面來看,甲烷不管是從成本還是從不易結焦、更大的比衝優勢來看,甲烷都要比煤油更有發展前景。

至於國家隊為什麼不及時跟進液氧甲烷則是因為液氧甲烷火箭發動機自身所存在的缺點極大地掩蓋了其優點,使得國家隊研發液氧甲烷發動機的動力不足。其一甲烷雖然更為便宜,但是相比煤油這種常溫燃料而言,甲烷屬於低溫燃料,那麼就需要對甲烷燃料箱進行低溫熱保護處理,這無疑增加了火箭自身的重量;

其二甲烷的密度更低,裝載同樣多的燃料,甲烷燃料箱的尺寸要比煤油燃料箱大不少,增加的燃料箱體積也會增加不少火箭的結構重量,其三再加上燃料箱長度增加後,為了保證整個甲烷燃料箱的橫向載荷不升,就需要對整個燃料箱進行縱向結構加強,同樣會增加火箭自身的結構重量,其四甲烷產生的飽和蒸汽壓力比煤油產生的蒸汽壓力更高,為了保證足夠高的發動機入口處壓力,甲烷燃料箱內部需要加壓處理,除了需要額外的增壓泵外,為了承受高壓所進行的燃料箱結構加強同樣會增加整個火箭的結構重量,最終甲烷燃料的高比衝優勢就會被拉低,也就是說液氧甲烷雖然比衝更高,但是對於液氧煤油火箭而言在效能上的差別並不大。

其次甲烷的低成本優勢其實放在火箭上也不是什麼優勢,具體來說的話,雖然煤油的成本要比甲烷貴不少,但是在火箭上二者的差價並不大。舉例來說的話,長征七號運載火箭起飛重量597噸,大概需要160噸煤油,也就是長征七號所需的煤油價格大概是160萬元,比同重量的甲烷貴80萬元,但是對於一枚發射成本高達6000萬美元以上的長征七號運載火箭而言,差價80萬元的差價幾乎可以忽略不計,所以甲烷的低成本優勢其實優勢也不明顯。

還有一個不太值得注意的是,所有低溫燃料的蒸發量相比常溫燃料的蒸發量更大,那麼也就限制其使用場景。比如SpaceX這些民營航天企業的未來主要發射軌道基本都是大部分商業衛星、航天器執行的近地軌道,距離地面400公里的近地軌道平均溫度大概是5攝氏度,那麼對於零下161.5攝氏度的甲烷而言,整個燃料箱就需要進行超強制冷以保持甲烷狀態穩定,降低其蒸發量。但是對於臨近真空的太空環境而言,幾乎沒有空氣的存在所以航天器的溫度提升會很快,所以甲烷燃料並不適合太空中的航天器長時間使用。反觀煤油的最低沸點只有30攝氏度,對於航天器而言,只需要稍微進行轉體就能保持航天器內部的煤油長期處於穩定狀態,而且煤油的常溫溫度和航天器內部的各種電子裝置執行溫度接近,也就不需要進行額外的隔溫處理,無疑進一步降低了火箭自身的結構重量。

更進一步地說,就像是馬斯克揚言要藉助裝載使用液氧甲烷燃料的星艦實現載人登月、載人登上火星,但是不管是月球表面白天超過300度的高溫還是火星平均零下63度的溫度,和甲烷的穩定溫度零下161攝氏度之間的差距還是很明顯的。除非馬斯克的星艦能夠長期躲在月球的背面和火星的背面保持長久低溫狀態,否則被太陽直射幾分鐘後整個火箭燃料箱內部便會因為壓力過高而爆炸。

至於SpaceX、藍色起源、藍箭這些民營企業為什麼都大力發展液氧甲烷火箭發動機也是有原因的,首先液氧煤油火箭發動機不能解決煤油極易結焦的問題 ,就根本無法實現更大推力輸出,但是甲烷不存在任何結焦的問題,所以液氧甲烷火箭發動機的推力提升更容易,同時其技術難度要比液氧煤油更為簡單的多。

其次不管是SpaceX、藍色起源還是國內的藍箭核心業務都是透過“一級火箭可回收重複利用”降低發射火箭成本。那麼對於火箭的載荷比而言,一級火箭的結構重量限制因素並沒有二級火箭、甚至三四級火箭結構多,所以一級火箭使用液氧甲烷燃料後所帶來的的優勢就是,火箭發動機難度降低、推力可以更大後火箭發動機數量少了、那麼為了保證甲烷的穩定性所增加的結構重量還是可以忽略不計,而且一級火箭主要在大氣層內飛行,沒有太空的低溫和溫度變化非常快的缺點影響。最終技術難度更低、價格更便宜、比衝更高、採用一級回收、可重複使用的液氧甲烷一級火箭,對於這些注重低發射成本的民營企業而言,無論是從成本還是技術層面都要比液氧煤油更佔優勢了。

反觀國家隊因為不光要滿足近地軌道航天器發射需求,同時還要滿足深空探測需求,專門為近地軌道發射研製一款最終效能相差無幾的液氧甲烷發動機不太現實,所以這也是中美俄這些航天大國並沒有及時跟進液氧甲烷火箭發動機的原因所在。

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