液氧甲烷火箭商業化之路還有多遠

本文轉自：中國城市報

■中國城市報記者孫雪霏

《 中國城市報 》（ 2024年01月29日 第 08 版）

在全球航天競技場上，一場技術革新正悄然上演。1月19日，藍箭航天空間科技股份有限公司（以下簡稱“藍箭航天”）自主研發的朱雀三號VTVL-1火箭，在我國酒泉衛星發射中心完成首次飛行試驗。這枚可重複使用的垂直起降回收驗證火箭，僅用約60秒便達到了350米的高度，並實現了精準着陸，是我國首款不鏽鋼液體運載火箭，以液氧甲烷爲燃料。

當前，液氧甲烷憑藉其在成本、環保性能及重複使用等方面的顯著優勢，正迅速成爲全球航天行業的新焦點。面對未來大規模進出空間、航班化運輸需求，我國液氧甲烷火箭要真正從研發走向產業化、商業化，前面的路還有多遠？

我國民營商業航天崛起

液氧甲烷是指將液態氧和液態甲烷混合使用的燃料組合。在中國商業航天領域，液氧甲烷路線的主要代表是藍箭航天。藍箭航天自2015年成立以來，迅速嶄露頭角。2017年，公司開始研製“80噸級+10噸級”兩型液氧甲烷發動機天鵲TQ-12和TQ-11，並於2019年成功試車。2023年7月12日，其朱雀二號遙二運載火箭發射升空，成爲全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭。2023年12月9日，朱雀二號遙三運載火箭在酒泉衛星發射中心再次成功發射，並第一次攜帶有效載荷，將搭載的三顆商業衛星送入預定軌道。

藍箭航天介紹，朱雀二號採用兩級構型，一級配置了四臺TQ-12發動機並聯，展示了企業在燃氣發生器循環領域的強大實力。今年1月19日的飛行試驗，驗證了朱雀三號大型液氧甲烷可重複使用火箭垂直返回關鍵技術，朱雀三號使用的發動機爲朱雀二號火箭同型改進的80噸級液氧甲烷發動機。該系列發動機地面試車驗證累計時間接近10萬秒，未來將應用於朱雀二號後續批次和朱雀三號運載火箭。

藍箭航天方面表示，朱雀二號、朱雀三號連續成功發射並承擔商業發射任務，意味着它們已經可以面對市場提供批量化火箭運載服務，公司計劃到2026年達到12次發射的目標。

藍箭航天火箭研發部總經理戴政在接受中國城市報記者採訪時表示：“把液氧甲烷利用好是現階段一個很關鍵的事情，我們設定的奮鬥目標是低軌道運載成本降至每公斤4萬至5萬元。”

我國另一家專注於液氧甲烷發動機的商業公司九州雲箭（北京）空間科技有限公司（以下簡稱“九州雲箭”）成立於2017年10月。與藍箭航天不同，九州雲箭只聚焦於液氧甲烷發動機的開發，而不涉足整個火箭的製造，其初創團隊基本來自“國家隊”。

九州雲箭創始合夥人劉洋在接受中國城市報記者採訪時表示：“團隊成員此前主要從事氫氧發動機的研發，這也屬於一種雙低溫推進劑。”

劉洋介紹，九州雲箭的主要產品包括兩型液氧甲烷發動機：10噸級爲凌雲發動機，80噸級爲龍雲發動機。九州雲箭發動機的三大特色是具有多次啓動性能、大範圍推力調節能力和多機並聯能力。多次啓動性能可讓火箭實現回收，大範圍推力調節則有助於火箭在着陸時精準“剎車”和平穩降落，這些都是可重複使用火箭必須具備的關鍵性能，“我們的目標是開發出可回收、可重複使用的發動機，以支撐火箭滿足未來的應用場景。”

據悉，龍雲發動機即將進入批量交付階段，預計今年的交付量將達到15至20臺，訂單既來自商業公司也來自“國家隊”。生產基地目前的產能可達到每年30至50臺，未來還會繼續擴大。

當前，藍箭航天和九州雲箭的發動機都在80噸級，循環方式均爲燃氣發生器循環，技術層面上離美國太空探索技術公司（SpaceX）研發的液氧甲烷火箭“星艦”還有差距。對此，藍箭航天創始人、董事長兼CEO張昌武指出：“中國商業航天與SpaceX之間的差距是十年起的，我們可以慢慢去縮短，但SpaceX也不會停下來等我們”。

值得注意的是，兩家公司還有一個共同點，即都擁有自己的試車臺。藍箭航天於2018年在浙江省湖州市建立百噸級整機試車臺，九州雲箭則於2020年在安徽省蚌埠市建成測試基地，包括百噸級發動機試車臺。劉洋表示：“這爲後續發動機順利迭代、積累可靠性及交付訂單打下了一個非常堅實的基礎。”

液氧甲烷成爲新寵

在商業航天領域，亞馬遜創始人傑夫·貝索斯創立的航天公司藍色起源被視爲SpaceX最大競爭對手。這種競爭關係在液氧甲烷發動機的研發上尤爲明顯。2011年，藍色起源開始研發BE-4發動機時，選中液氧甲烷爲推進劑。2012年，SpaceX宣佈“猛禽”發動機放棄最初討論的液氧液氫，也轉而採用了液氧甲烷。這兩家航天巨頭的選擇，無疑進一步推動了液氧甲烷在商業航天領域的發展。

今年1月8日，美國聯合發射聯盟（ULA）的“火神—半人馬座”（VulcanCentaur）火箭，搭載“遊隼”月球探測器升空。但因“遊隼”發動機故障，未能完成登月目標。這枚兩級重型運載火箭的亮點是，一級裝備了兩臺藍色起源公司研發的BE-4發動機，採用液氧甲烷作爲燃料，海平面推力高達240噸，甚至略超過SpaceX現役的“猛禽”發動機。

過去一年，SpaceX表現格外搶眼，共發射了96枚火箭，佔據全球年度發射總量的45%。儘管旗下最強火箭“星艦”兩次試飛均告失敗，但仍賺足了眼球，“星艦”採用的便是液氧甲烷燃料。劉洋評論道，SpaceX的研發思路是“以飛代試”，通過真實的飛行環境去驗證各個組合件的工作匹配性和整體設計的合理性，從而“大膽地用整系統級別的飛行來做迭代”。

張昌武指出，展望未來五年，中國乃至全球所有商業火箭推進劑的首選都將是液氧甲烷。

早在1931年，德國研發的歐洲首枚液體燃料火箭就選用了液氧甲烷，但因實用性差而被棄用。隨後，航天領域對液氧煤油、液氧液氫等燃料的偏好一度使液氧甲烷處於不被重視的地位。液氧煤油以安全、易存儲著稱，被廣泛用於一次性使用火箭中。液氧液氫雖有泄漏問題，但其以超過460秒的理論比衝而備受青睞。比衝是衡量火箭動力的重要參數，比衝值越大，動力性能越好。

液氧甲烷的理論比衝約390秒，介於兩者之間。其作爲低溫推進劑，存儲與輸送難度不亞於液氧液氫，因而長期未受重視。但隨着SpaceX的“獵鷹9號”火箭成功回收，以及商業航天對成本的日益重視，液氧甲烷的優勢開始顯現。

記者瞭解到，“獵鷹9號”使用的梅林發動機和液氧煤油推進劑雖然安全可靠，但積碳的產生使得火箭回收後的清潔工作複雜且成本高昂。相比之下，液氧甲烷燃燒幾乎無積碳，維護更簡便，延長了發動機使用壽命，同時可降低重複使用成本。此外，由於民用液化天然氣（LNG）的大規模應用，甲烷的價格低廉、供給充分，成本遠低於煤油和液氫，進一步提高了其在商業航天領域的吸引力。

對標模範生“星艦”

近年來，在全球航天領域最引人注目的當屬SpaceX公司研發的液氧甲烷火箭“星艦”。自2023年4月20日首次試飛以來，“星艦”遭遇了多項挑戰，包括三臺發動機未能啓動和助推器未成功分離，最終導致爆炸。同年11月18日，經過全面的技術調整，“星艦”進行了第二次試飛，儘管同樣未能成功，仍被業內專家視爲重要進展。

從設計規格上看，“星艦”已然處於領先地位。這款超大型兩級火箭高約120米，直徑9米，首級助推器“超重（SuperHeavy）”高約69米，配備33臺“猛禽”發動機，燃料裝載量約3400噸；而第二級狹義上的“星艦”航天器高約50米，燃料裝載量1200噸，能夠搭載宇航員或貨物，近地軌道有效負載能力高達100噸至150噸。

值得注意的是，液氧甲烷發動機的性能主要由其動力循環方式決定，分爲燃氣發生器循環、富氧氣或富燃氣的補燃循環、全流量補燃循環等，技術難度由低至高。SpaceX的“猛禽”發動機採用了最先進的全流量補燃循環，藍色起源的BE-4採用的是富氧氣補燃循環，中國的朱雀二號天鵲TQ-12發動機則使用燃氣發生器循環。

全流量補燃循環具有諸多優點，如高比衝、高燃燒效率和對渦輪泵密封要求低，然而因系統複雜、研製難度大，目前僅“猛禽”發動機取得了成功。

張昌武在討論將液氧甲烷作爲中國未來商業火箭推進劑研發方向時指出，藍箭航天將適時啓動研製對標“猛禽”的200噸級全流量補燃發動機，預期到2028年“拿出來”。

劉洋則表示，全流量補燃發動機雖然是九州雲箭下一步的攻關方向，但由於難度較大，不好準確預測進展時間，“可能需要3到5年的時間”。