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：我們的太空）

本次“一箭三星”商業發射任務勝利收官，標志著朱雀二號作為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，可靠性達到商業化發射交付要求。藍箭航天也成為國內民商航天中最早實現中大型液體運載火箭連續發射成功的企業，率先開啟了國內主流液體火箭規?；虡I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推進劑的中型液體火箭，具有自主知識產權，致力于為客戶提供低成本、高可靠的發射服務，滿足多場景下的商業發射需求。全箭總長49.5m，箭體直徑3.35m，起飛質量220噸（不含有效載荷），起飛推力268噸?；鸺患壊捎?臺天鵲80噸級液氧甲烷發動機并聯，二級采用1臺天鵲80噸級液氧甲烷發動機和1臺天鵲10噸級游動液氧甲烷發動機組合而成。運載能力為500km太陽同步軌道1.5噸，后續改進型可達到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于2023年7月12日實施發射，一舉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研究院研制的鴻鵠衛星和天儀33衛星，鴻擎科技研制的鴻鵠二號衛星送入460km太陽同步軌道，系該型火箭成功執行一箭多星商業發射任務，代表藍箭航天在商業化運營能力建設方面取得了穩步進展。

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，朱雀二號作為一款中型運載火箭，乍一看上去并無多少亮眼之處，但實際上，朱雀二號在國內外商業航天界絕對是一款劃時代的產品。

（圖片來源：我們的天空）

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。注意這里的關鍵詞：“液氧甲烷”，這就要從為朱雀二號提供強大動力的“天鵲”系列火箭發動機說起了。

從原理上來講，火箭實際就是利用自身攜帶的推進劑發生反應，產生高速噴射的熱氣流來推進的動力裝置。對于以空間運輸為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。首先是固體推進劑方案，這應該算是歷史最悠久的火箭動力燃料了，古代用黑火藥作為燃料的原始火箭就屬于固體火箭的一種。這種推進劑的優點是易于長期貯存，能夠應對突發情況，技術簡單等。但短板也是非常明顯，比如比沖小、推力不可調等。

這里就涉及到一個關鍵概念：比沖，即單位推進劑的量所產生的沖量，單位是秒(s)?？梢岳斫鉃橐粋€單位質量的推進劑產生一個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，比沖值越大，就表明火箭的動力性能越優越。顯然，比沖值普遍較小的固體火箭難以擔當運載火箭發射的重任，只能作為輔助動力登場。比如航天飛機發射時配備的兩枚白色助推火箭就是使用了固體推進劑。

而如今主流的運載火箭的主發動機基本都是采用液體推進劑方案，與固體推進劑不同，這類方案中推進劑分為液態燃料和液態氧化劑兩類，他們在運載火箭發動機上一般是分別貯存在兩個空間中，在進入燃燒室后激烈反應后產生推力。在所有液體推進劑方案中，液氧是最為悠久的氧化劑，1926年人類歷史上第一枚液體燃料火箭就使用了液氧（氧化劑）+汽油（燃料劑）的方案，同時也是最為高效廉價的氧化劑，很多主流運載火箭的主力發動機都采用液氧為氧化劑，不同是與之搭配的燃燒劑。這其中液氧+煤油、液氧+液氫是應用最廣泛的搭配方案。

▲SpaceX位于肯尼迪航天發射中心的液氧儲罐(圖片來源：SpaceX)

我們知道，氫氣的燃燒能量驚人，每克氫氣充分燃燒后能夠釋放約141千焦的能量，這讓它雄居人類已知燃料劑能量榜榜首。從最大程度提升火箭動力的角度來看，液氧與液氫是最佳選擇，他們能夠讓發動機產生最高463.1秒的理論真空比沖值。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氧化劑箱的設計非常復雜，由此帶來的高昂成本基本把將重視節約的商業航天拒之門外。

在液氧之外，人們還曾嘗試用四氧化二氮作為氧化劑，搭配偏二甲肼作為燃料劑，比如用于運送神舟系列載人飛船的長征-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，且本身的制備成本很高，搭配偏二甲肼后產生的最大理論真空比沖值約在347秒,相比其他液體推進劑方案并無明顯優勢，對于商業航天而言也不是理想的選擇。

要想實現高性價比的發射，商業運載火箭還是要回歸到液氧上。

得益于火箭貯箱工藝技術的發展，液氧的貯存成本大幅下降，這種易于制造和儲備的氧化劑成為商業航天的不二選擇，問題是要以何種燃料劑作為它的搭檔。上文提到的液氫由于貯存成本過高肯定不在考慮之列，目前很多商業航天企業采用的是液氧+煤油的方案，這種搭配雖然產生的比沖值略低于液氧+液氫，但煤油的貯存方便，且易獲取，成本容易把控，液氧+煤油的方案能夠產生最大367秒的理論真空比沖值。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。但煤油燃燒后會產生積碳，這給發動機維護帶來不少壓力。

液氧+甲烷，新興的火箭推進劑方案

那么，在液氧+煤油之外，還有沒有其他更適于商業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。作為燃料劑，甲烷擁有一大優勢：即液態溫度與液態氧非常接近，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于液氫，這讓火箭能夠在同等體積下加注更多的燃料。最重要的是，甲烷本身的制備成本也低于液氫、煤油和偏二甲肼。雖然液氧+甲烷的方案所產生的動力還是要比液氧液氫低不少(液氧+甲烷產生的最大理論比沖值約為379秒)，但也已與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。對于矢志追求降本增效的商業航天而言，液氧甲烷正在成為新寵。

目前世界上的商業航天巨頭SpaceX正在全力研發大推力的“猛禽”系列液氧甲烷發動機。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，能在真空中產生高達2530千牛的推力，真空比沖值更是達到了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，在這兩項的指標也不過是1202千牛和421秒。

▲SpaceX研發的兩款液體火箭發動機，右為采用全流量分級燃燒循環模式的“猛禽”，左為采用開式循環的“梅林”（圖片來源：推特）

在SpaceX之外，另一家世界商業航天頭部企業“藍色起源”也非常熱衷于液氧甲烷發動機的研發。該公司從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，真空比沖值雖沒有官方數據，但普遍推測在340秒左右?？梢娺@是個與“猛禽”不分伯仲的大力士。

相比于這兩位重量級選手，“藍箭航天”的天鵲12型發動機只能算是個后進生，首先天鵲12型研制工作在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復使用。雖然都是以液氧甲烷為推進劑，但三者的設計思路還是存在明顯差異。發動機里的燃料劑和氧化劑是需要在燃燒室里混合燃燒才能產生推力，那么以什么方式讓兩者相遇，就會劃分出不同的燃燒循環模式。

“猛禽”與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)，燃燒產生的熱量驅動渦輪帶動泵結構輸送燃料或氧化劑。然后產生的尾氣送入主燃燒室作最終燃燒產生推力。這種模式在很大程度上提高了推進劑的利用率，從而增加了發動機的比沖量。

但這兩者也存在不同，“猛禽”采用的是最為大膽激進的“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“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，但這種復雜的循環模式也帶來了結構復雜，制造工藝要求高等難題，從“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，也就是只設置一個預燃室，只進行一次富氧燃燒。BE-4燃燒效率要低于“猛禽“，但研發成本和風險更加可控。不過由于種種原因，BE-4目前依舊只停留在地面試車階段。

▲幾種液體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型采用了更為簡單的“開式循環模式”，這種模式沒有復雜的預燃工況，只是設置一個燃氣發生器，讓部分液氧和甲烷在此燃燒產生動力驅動渦輪，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“分級燃燒循環模式”不同，燃氣發生器所產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低風險，卻也非常契合商業航天的基本需求。雖然天鵲12型面世最晚，但研發進度最快，并成功助力朱雀二號摘得全球首個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，部分內容綜合藍箭航天、我們的太空等。

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