看过来，这款火箭不一般！

对于我国这样的看过来航天大国来说，每年都会有很多枚火箭成功发射，款火这已经成为我国航天领域的看过来“家常便饭” 。然而，款火在2023年7月12日成功发射的看过来朱雀二号遥二火箭却引起了人们的热议。这到底是款火为什么呢？朱雀二号遥二运载火箭在我国酒泉卫星发射中心发射升空（图片来源：新华社）液氧甲烷火箭 ：各国航天的新尝试原来，这是看过来世界上第一款将载荷成功送入预定轨道的液氧甲烷火箭 。研制液氧甲烷火箭的款火国家可不止中国
，其他大国也在紧锣密鼓地研制中 。看过来例如，款火今年上半年，看过来美国就有两家公司发射了两款液氧甲烷火箭 ，款火分别是看过来人族一号火箭和“星舰”
。“人族一号”液氧甲烷运载火箭（图片来源
：光明网）只是款火 
，美国这两款火箭的看过来发射都没有获得成功
。到这里  ，你可能会产生这样的疑问：都已经有液氧煤油和液氧液氢火箭发动机了，为什么现在中美两国都要快马加鞭地研制液氧甲烷火箭发动机呢？如果液氧甲烷发动机这般好
，那为什么一开始不去研制
？或者数十年前，在研制液氧液氢火箭发动机前 ，为什么不首先研制液氧甲烷发动机 ？液氧煤油与液氧液氢有何优势？第二次世界大战时，德国的V-2火箭
，其使用的是液氧乙醇作为推进剂 ，乙醇也就是我们常说的酒精
。作为燃料，含水的酒精性能显然不行。二战后，各国开始研制新的液体推进剂 。于是 ，液氧煤油和液氧液氢这两条路线便诞生了
 ，这两条路线目前都获得了成功
。一种精炼的煤油“RP-1” ，火箭燃料（图片来源 ：Maxhaot）之所以一开始选择煤油而不是甲烷，是因为那时的煤油已经很常见
，且使用量大。而全球天然气的大规模使用，是最近几十年才有的事。从成本上来说，也必然选择煤油，而不是甲烷 。即使历史重新来过 ，科学家们也依然会选择煤油，而不是技术要求更高，且获取成本较大的液氧甲烷
。于是 ，二战后到现在，液氧煤油和液氧液氢两种路线都得到了充分的发展。探索到两条合适的路线后
 ，人们也不必再去寻找其他路线了
。液氧甲烷：让回收火箭变得更容易既然液氧煤油与液氧液氢有着如此多的优势，人们现在为什么还要上马液氧甲烷路线呢 ？因为人类对火箭发动机的要求大幅提高了。之前，科学家们只要保证火箭发动机使用一次就好，成功使用一次后，火箭发动机怎样都可以，反正都是掉在地上或者掉入大海。但现在，人类希望火箭发动机能重复使用10次以上
，甚至达到100次。此时，液氧煤油发动机就有点儿不太合适了，因为煤油燃烧时会在火箭发动机内部造成积碳结焦，继而为重复使用带来很大困难。当前，液氧煤油火箭在回收后必须对发动机进行彻底清洗才能继续使用。使用汽车发动机来展示积碳 ，当然，火箭发动机积碳不可能这么严重（图片来源 ：KINGKAR）液氧甲烷却不同，它是强挥发性燃料。使用后 ，这种燃料在火箭发动机上的残留物极为稀少 ，这为可回收火箭减轻了很大的后勤维护工作量 。火箭发动机工作时 ，燃气温度最大时可超过3300摄氏度，这超过了绝大多数金属材料的熔点
。为避免发动机高温受损，需要对火箭发动机进行冷却 。冷却方法多种多样，目前的主流方法是“再生冷却”，就是使用燃料冷却。液氧温度在零下183摄氏度左右，看似超低温，最适合作为冷却剂，然而由于氧的高度活性，它极容易与金属或者组成火箭发动机的其他材料发生反应。所以 ，人们一般不使用液氧作为冷却剂，而是使用燃料作为冷却剂。具体来说就是一部分燃料先到发动机喷管周围走一个来回 ，这必然会带走巨量的热量，从而起到了给火箭发动机冷却的效果
。“天鹊”80吨液氧甲烷发动机（图片来源：人民网）常温煤油和液态甲烷比起来，必然是后者更好，因为其是零下162摄氏度左右的低温 ，冷却效果立马提升3倍以上 。也就是说 
，为了让火箭能重复使用，需要对其进行最高效率的冷却，而在冷却上 ，液氧甲烷的效果比液氧煤油要好得多。液氧液氢：为什么不选我 ？通过以上分析 ，我们知道了
，液氧煤油容易积碳结焦 ，而液氧甲烷却不会。但问题又来了 ，液氧液氢也不会积碳结焦呀，为什么不用液氧液氢呢
？而且再生冷却时，液氢温度更低，冷却效果岂不是比液态甲烷更好 ？没错 ，以上说法都是说得通的
 ，但是液氢实际上存在着很多难以克服的问题。其中一个问题是：跟液氧甲烷比起来
，液氢的密度太低了 ，结果就是体积太大。另一个问题就是液氢的温度实在是太低了，零下252.8摄氏度，处理这么低的温度，难度太大 ，继而成本很高。航天飞机下那个棕色大箱子 ，名叫外储箱。里面占据绝大部分体积的是液氢（图片来源
：NASA）不仅如此 ，液氧温度只有零下183摄氏度左右，而液氢是零下252.8摄氏度，两者温度相差了大约70摄氏度 。所以，火箭上储存液氧和液氢的两个箱子需要做好隔绝措施，否则液氢可能会把液氧冻成固体。如果使用液氧煤油，也需要做好隔离 ，否则液氧也会把煤油冻成固体 。此时 ，就能体现液氧甲烷的优越性了 ，因为其跟液氧温度相近，不用担心谁把谁冻成固体的问题。于是，本来是两个分离开来的箱子 ，一个装液氧，一个装煤油 。但现在做成一个大箱子即可，只要在这个大箱子的中间多出一块隔板，一边装着液态氧，另一边装着液态甲烷 ，这种结构就叫作“共底储箱”。毫无疑问，共底储箱能有效降低储箱重量，并缩短储箱长度，继而减少火箭重量，增强运载能力。到这里谜底全部揭开
，相比于液氧煤油和液氧液氢，液氧甲烷着实优点多多 。随着各个国家对于火箭要求的日益提高 ，研制液氧甲烷发动机也逐渐成为了航天科研领域的一大重点
。出品 ：科普中国作者：寒木钓萌（科普创作者）监制：中国科普博览

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