天問｜全球首枚液氧甲烷火箭入軌！我們爲什麼要發射朱雀二號？
來源：封面新聞
封面新聞記者 邊雪
大風呼嘯，人跡罕至。雖位於巴丹吉林沙漠深處，酒泉衛星發射中心正在書寫着人類航天的史書。
7月12日9時，由藍箭航天空間科技股份有限公司自主研製的朱雀二號遙二液氧甲烷運載火箭（代號 “ZQ-2 Y2”）在我國酒泉衛星發射中心發射成功，火箭進入預定軌道飛行，試驗任務取得圓滿成功。
朱雀二號遙二液氧甲烷運載火箭發射成功。
“成了！”在發射現場的文昌航天科普協會負責人、航天攝影師王禹博告訴封面新聞記者：“我們成功了！人類第一！”
本次發射成功的朱雀二號，成爲全球首款成功入軌飛行的液氧甲烷火箭，標誌着中國運載火箭在新型低成本液體推進劑應用方面取得重大突破。
世界首款入軌的液氧甲烷液體火箭
朱雀二號有多強？
據藍箭航天工作人員介紹，朱雀二號運載火箭爲液氧甲烷火箭是藍箭航天自主研製的一款新型雙低溫液體燃料運載火箭，也是中國商業火箭領域唯一通過自主研製的全箭動力系統開展飛行驗證的液體火箭。
朱雀二號遙二液氧甲烷運載火箭。
朱雀二號爲兩級液體運載火箭，直徑3.35m，全長49.5m，總重216噸，起飛總推力268噸，500km高度太陽同步軌道運力4噸，200km近地軌道運力6噸，可以將兩輛標準SUV轎車同時送入太空。
火箭一級採用 4 臺“天鵲”80 噸液氧甲烷發動機並聯；火箭二級發動機採用單臺“天鵲”80 噸液氧甲烷發動機和“天鵲”10 噸級遊動液氧甲烷發動機，主機構型與一級發動機單機相同。火箭級間分離採用冷分離方式，整流罩分離採用旋拋分離方式。
該火箭是屬於我國民營企業之中研究的最大火箭，也是首枚液體火箭與首枚液氧甲烷火箭，其特性包括：環保、無毒、無污染。值得注意的是，朱雀二號採用一體化集成電氣系統，推進劑成本降低50%—90%，實現標準化、通用化，全箭零部件種類減少50%。所以，成功的話，未來將使得我國航天發展走向一個新階梯。
朱雀二號遙二液氧甲烷運載火箭發射實時畫面。
朱雀二號的成功發射，意義非凡。全國空間探測技術首席科學傳播專家，中國空間科學傳播專家工作室首席科學傳播專家龐之浩在接受封面新聞記者採訪時表示，本次（朱雀二號）發射成功第一個意義就是作爲世界首款成功入軌飛行的液氧甲烷火箭。國外也有航天公司試了幾次，都沒有成功，包括馬斯克的星艦也是用液氧甲烷作爲原料，這也代表了一個發展趨勢。“本次發射成功，也給我們民營航天公司很大的振奮啊，在未來，我們對民營航天公司還更有信心了。”
爲何全球都熱衷於要發射
液氧甲烷液體火箭？
近年來，甲烷火箭的發射失敗不在少數，但爲什麼還要發展液氧甲烷發動機？
答案就在甲烷的燃燒性質與商業化火箭的發射需求中。
首先，甲烷是一種清潔推進劑。甲烷是一種有機化合物，分子式是CH4，是含碳量最小、含氫量最大的烴。甲烷在自然界的分佈很廣，是天然氣、沼氣、坑氣等的主要成分。作爲燃料，甲烷在氧氣中燃燒的產物是二氧化碳和水，是一種清潔燃料，對於運載火箭而言也是一種清潔燃燒劑。
朱雀二號遙二液氧甲烷運載火箭。
其次，甲烷的能量密度尚佳，在用作火箭燃燒劑時，氣態甲烷首先需要進行液化，液態甲烷的沸點溫度爲-161.5攝氏度，密度約爲0.42千克/立方分米（0.42噸/立方米），密度遠高於液氫的0.0708千克/立方分米，低於RP-1煤油的0.81千克/立方分米，體積能量密度適中，裝載相同質量推進劑貯箱大於煤油，遠小於液氫。一般航空煤油的質量能量密度（比能量）爲41.84~42.89兆焦/千克（MJ/kg），液氫的質量能量密度約爲120兆焦/千克，液態甲烷的質量能量密度是50兆焦/千克，液態甲烷的比能量是煤油的116%、液氫的42%，比能量適中。在此基礎上，液氧甲烷發動機的比衝也適中，理論比衝爲355秒，高於液氧煤油發動機的344秒，低於液氫液氧發動機的445秒。
再次，甲烷還有極低的使用成本。在目前主流的推進劑當中，液氫的生產成本是最高的，單位生產成本達到500元/千克，其次是煤油，單位生產成本超過10元/千克，而液態甲烷的生產成本最低，僅有5元/千克。相較而言，液態甲烷的單位生產成本不到煤油的1/2，僅有液氫的1/100。（注：液氫、煤油、液態甲烷單位生產成本爲我國2019年及以前的數據，同時具體成本世界各國區別明顯）。
最後，甲烷天生更適於共底貯箱。在液氫/液氧、液氧/煤油、液氧/液態甲烷3組雙組元推進劑當中，液氧/液態甲烷是燃燒劑和氧化劑溫差最小的一組，其中液態甲烷的沸點是-161.5度，液氧的沸點是-182.96度，溫區相近，溫差僅有21.46度，設計使用共底貯箱相對簡單。相反，液氫/液氧推進劑中，液氫的沸點達到-252.78度，比液氧-222.65度的凝點還低30.13度，液氧/煤油推進劑中，煤油的凝固點是－47度，液氧沸點比其低135.96度，對於採用這兩組推進劑的火箭而言，需要使用絕熱共底貯箱，生產工藝複雜、質量控制嚴格，還會增加火箭高度。
現場合影。
液氧甲烷相較於液氧、煤油比較便宜、污染小，基本可以算作沒有污染。此外，液氧甲烷不結痂，在火箭發射中可以實現重複使用。龐之浩表示，液氧甲烷的燃料還可以在火星探測或者航天員登火星時使用。
隨着人類進入太空的規模不斷擴大，實現運載火箭的回收複用已經勢在必行。更利於回收複用的甲烷自然也成爲航天公司研發的重點。
“液氧甲烷火箭是藍箭在創業之初就選定的發展方向，液氧甲烷更容易獲取，並且對未來可重複使用⽕箭的開發更加有利。”藍箭航天董事長兼CEO張昌武在接受媒體採訪時表示，國家在過去60多年裡，圍繞液氧煤油、氫氧類的發動機，已經做了很多開發工作，並且產品都已經非常成熟，在這樣的背景下，技術上新的突破才能在市場⾥有自己的一席之地。“通過一型可以實現更低的成本，更好地實現重複使用的火箭，可以建立我們的競爭力，同時還能填補航天領域的⼀個空白。”
全球的液氧甲烷發動機火箭競賽
在液氧甲烷發動機領域，中國是世界上除美國外處於前列的國家。
據封面新聞此前報道，馬斯克旗下的SpaceX的“獵鷹九號”和“重型獵鷹”，已經實現了芯一級、助推器、整流罩的多次回收複用，該系列火箭使用的是液氧煤油推進劑，發動機會存在明顯的結焦和積炭的問題，這爲多次回收複用帶來了明顯的障礙，而如果將推進劑換成液氧甲烷，問題就會迎刃而解。
今年4月20日，SpaceX公司的“星艦”火箭發射升空，但在飛行過程中爆炸解體，該火箭全箭共使用了36臺230噸級的“猛禽”液氧甲烷發動機。馬斯克當月晚些時候在社交平臺上表示，1—2個月內或準備再次試射“星艦”。
“星艦”首飛未獲成功後，SpaceX 公司陸續進行了首飛失利分析、發射場修整、發射架方案優化等，第二枚“星艦”目前已經完成總裝工作，將在未來幾個月內進行第二次發射。馬斯克上月表示，“星艦”首次發射未能成功後，公司已經對其進行了 1000 多項修改，最引人注目的是火箭的超重助推器和飛船部分改爲熱分離技術，即在飛船上的發動機點火時，超重型助推器仍與它相連。
受商業航天公司崛起的影響，我國也涌現了一批瞄準了商業火箭發射場，開始開發液氧甲烷發動機的民營航天企業。
本次成功發射朱雀二號的北京藍箭航天公司，成立於2015年，2016年下半年着手研發液體火箭發動機，目前致力於研製以液氧甲烷發動機爲動力的大中型火箭。
2022年11月，藍箭航天自主研製的朱雀二號運載火箭（遙二）主要部組件齊套，在嘉興藍箭航天中心開始總裝工作。該火箭爲兩級運載火箭，一級採用4臺天鵲12系列80噸級液氧甲烷發動機並聯，二級採用單臺天鵲12系列發動機和一臺10噸級天鵲11發動機遊機。
2022年12月14日16時30分，藍箭航天在酒泉衛星發射中心執行朱雀二號遙二首次飛行試驗，火箭一二級主機工作正常，由於二級的天鵲11遊機工作異常，最終發射任務未能成功。儘管朱雀二號這次不幸未能成爲全球首款成功入軌的液氧甲烷火箭，但火箭仍飛越了卡門線（海拔100km）。
朱雀二號火箭在經歷去年失利歸零後，終於迎來了勝利。王禹博在發射圓滿成功一小時後，接受封面新聞記者採訪時，仍然難掩激動心情。“本次火箭是首枚以液氧甲烷爲燃料並且成功入軌，在經歷去年的失利後我們一度認爲要丟失‘人類第一’的稱號，然而美國相對論公司人族1號、SpaceX公司星艦都沒能做到的事情，ULA公司火神號接續經歷失敗、爆炸、推遲等一系列問題，機會又回到了我們手中。
“當測發大廳傳來： 二級發動機關機、星艦分離，人羣沸騰了道路再泥濘，我們終將跨越。今天，我站在這裡，爲祖國自豪。”王禹博告訴封面新聞記者。
文昌航天科普協會負責人、航天攝影師王禹博在發射現場。