北京時(shí)間2023年3月23日11:25,“人族一號(hào)”運(yùn)載火箭從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角太空軍基地的LC-16工位發(fā)射升空，二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)雖然成功點(diǎn)火但未能正常工作，發(fā)射失敗。此次發(fā)射是世界液氧甲烷火箭的第2次入軌嘗試，在此之后，“星艦”和“火神”將先后于4月和5月挑戰(zhàn)入軌首飛，緊接著“朱雀二號(hào)”將2度挑戰(zhàn)首次成功入軌，世界液氧甲烷火箭迎來(lái)收獲期。

為什么是甲烷？

清潔推進(jìn)劑。甲烷是一種有機(jī)化合物，分子式是CH4，是含碳量最小、含氫量最大的烴。甲烷在自然界的分布很廣，是天然氣、沼氣、坑氣等的主要成分，俗稱瓦斯。作為燃料，甲烷在氧氣中燃燒的產(chǎn)物是二氧化碳和水，是一種清潔燃料，對(duì)于運(yùn)載火箭而言也是一種清潔燃燒劑。

能量密度尚佳。在用作火箭燃燒劑時(shí)，氣態(tài)甲烷首先需要進(jìn)行液化，液態(tài)甲烷的沸點(diǎn)溫度為-161.5攝氏度，密度約為0.42千克/立方分米（0.42噸/立方米），密度遠(yuǎn)高于液氫的0.0708千克/立方分米，低于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(zhì)量推進(jìn)劑貯箱大于煤油，遠(yuǎn)小于液氫。液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的混合比（氧化劑和燃燒劑的流量之比）是3.7，即1克甲烷要搭配3.7克液氧，這略高于液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的2.7，遠(yuǎn)低于液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)的6，液氧的密度為1.141千克/立方分米，在配備相同質(zhì)量燃燒劑的情況下，液氧甲烷火箭的體積是液氧煤油火箭的156%，是液氫液氧火箭體積的29%。

一般航空煤油的質(zhì)量能量密度（比能量）為41.84~42.89兆焦/千克（MJ/Kg），液氫的質(zhì)量能量密度約為120兆焦/千克，液態(tài)甲烷的質(zhì)量能量密度是50兆焦/千克，液態(tài)甲烷的比能量是煤油的116%、液氫的42%，比能量適中。在此基礎(chǔ)上，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖也適中，理論比沖為355秒，高于液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的344秒，低于液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)的445秒。

成本極低。在目前主流的推進(jìn)劑當(dāng)中，液氫的生產(chǎn)成本是最高的，單位生產(chǎn)成本達(dá)到500元/千克，其次是煤油，單位生產(chǎn)成本超過(guò)10元/千克，而液態(tài)甲烷的生產(chǎn)成本最低，僅有5元/千克。相較而言，液態(tài)甲烷的單位生產(chǎn)成本不到煤油的1/2，僅有液氫的1/100。（注：液氫、煤油、液態(tài)甲烷單位生產(chǎn)成本為我國(guó)2019年及以前的數(shù)據(jù)，同時(shí)具體成本世界各國(guó)區(qū)別明顯）。

更適于共底貯箱。在液氫/液氧、液氧/煤油、液氧/液態(tài)甲烷3組雙組元推進(jìn)劑當(dāng)中，液氧/液態(tài)甲烷是燃燒劑和氧化劑溫差最小的一組，其中液態(tài)甲烷的沸點(diǎn)是-161.5度，液氧的沸點(diǎn)是-182.96度，溫區(qū)相近，溫差僅有21.46度，設(shè)計(jì)使用共底貯箱相對(duì)簡(jiǎn)單。相反，液氫/液氧推進(jìn)劑中，液氫的沸點(diǎn)達(dá)到-252.78度，比液氧-222.65度的凝點(diǎn)還低30.13度，液氧/煤油推進(jìn)劑中，煤油的凝固點(diǎn)是-47度，液氧沸點(diǎn)比其低135.96度，對(duì)于采用這兩組推進(jìn)劑的火箭而言，需要使用絕熱共底貯箱，生產(chǎn)工藝復(fù)雜、質(zhì)量控制嚴(yán)格，還會(huì)增加火箭高度。

更利于回收復(fù)用。隨著人類進(jìn)入太空的規(guī)模不斷擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的回收復(fù)用已經(jīng)勢(shì)在必行。目前，太空探索公司（SpaceX）的“獵鷹九號(hào)”和“重型獵鷹”已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了芯一級(jí)、助推器、整流罩的多次回收復(fù)用，該系列火箭使用的是液氧煤油推進(jìn)劑，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)存在明顯的結(jié)焦和積炭的問(wèn)題，這為多次回收復(fù)用帶來(lái)了明顯的障礙，而如果將推進(jìn)劑換成液氧甲烷，問(wèn)題就會(huì)迎刃而解。甲烷是單碳原子的低密度碳?xì)浠衔?，兼具氫和煤油的部分?yōu)點(diǎn)，比熱高、黏度小、結(jié)焦極限溫度高（978度），基本無(wú)結(jié)焦和積碳的問(wèn)題，是目前僅次于液氫的再生冷卻劑或膨脹循環(huán)冷卻劑。正是看中液態(tài)甲烷相對(duì)于煤油優(yōu)勢(shì)，太空探索的下一代運(yùn)載火箭“星艦”才選擇了液氧甲烷推進(jìn)劑。

更適合深空探測(cè)。隨著航天探測(cè)的不斷深入，人類正在走向更大規(guī)模的深空探測(cè)，對(duì)于依然處于化學(xué)推進(jìn)劑時(shí)代的航天器而言就需要在比較中選擇更適合深空探測(cè)的推進(jìn)劑。在深空探測(cè)飛行及著陸探測(cè)中，航天器會(huì)經(jīng)歷較大的高低溫交變，比如月球表面高溫可達(dá)約+120度，低溫低至–190度；火星表面高溫為+20度，低溫低至-143度，這些低溫狀況，對(duì)于煤油而言溫度太低，對(duì)于液氫而言溫度太高，而對(duì)于液態(tài)甲烷而言更合適。液態(tài)甲烷的凝固點(diǎn)是-182.5度，液氧的凝固點(diǎn)是-222.65度，在進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)的情況下能夠充分利用并適應(yīng)火表和月表的低溫環(huán)境。

實(shí)現(xiàn)地外開(kāi)礦。在人類目前的深空探測(cè)中，大部分是單程探測(cè)，“有去無(wú)回”，而探測(cè)走向深入必然需要實(shí)現(xiàn)往返探測(cè)，“有去有回”。對(duì)于規(guī)模有限的探測(cè)而言，可以通過(guò)航天器自身攜帶的推進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)往返，但是返回質(zhì)量較小，成本較高，如果要現(xiàn)實(shí)大規(guī)模的往返探測(cè)，在化學(xué)能發(fā)動(dòng)機(jī)為主動(dòng)力的背景下必然需要在地外天體進(jìn)行“加油”，實(shí)現(xiàn)資源的原位利用。

以火星為例，火星大氣中存在大量的二氧化碳，通過(guò)薩巴蒂爾(Sabatier)反應(yīng)（一種將二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料的化學(xué)過(guò)程），在加300~400度高溫和催化劑的條件下，讓二氧化碳和氫氣產(chǎn)生反應(yīng)，生成甲烷和水，其中甲烷可以用作航天器推進(jìn)劑，氧氣可以供應(yīng)人類生存。這當(dāng)中，催化劑可用石墨烯，高溫可以通過(guò)電熱和光熱實(shí)現(xiàn)，氫氣可以通過(guò)電解火星上的水實(shí)現(xiàn)。

此外，“卡西尼惠更斯號(hào)”土星探測(cè)器在土星最大的衛(wèi)星——土衛(wèi)六上已有驚人發(fā)射，其表面存在大量以甲烷為首的液態(tài)碳?xì)浠衔锏暮春秃Ｑ螅屑淄榇髿庋h(huán)，會(huì)下甲烷雨。而“新視野號(hào)”冥王星探測(cè)器也發(fā)現(xiàn)冥王星的斯普尼克平原中富集固態(tài)甲烷。

誰(shuí)將成為世界第一型入軌液氧甲烷火箭？

2022年12月，中國(guó)藍(lán)箭航天的“朱雀二號(hào)”挑戰(zhàn)世界液氧甲烷火箭的入軌首飛，最終由于二級(jí)游機(jī)故障與成功失之交臂。到了2023年3月，美國(guó)相對(duì)論公司的“人族一號(hào)”挑戰(zhàn)成為世界第一型成功入軌的液氧甲烷火箭，二級(jí)點(diǎn)火即異常，離成功還有很遠(yuǎn)距離，但也并不意外，相對(duì)論公司對(duì)于世界第一型3D打印火箭“人族一號(hào)”的首飛期待只有成功度過(guò)MAX-Q（最大動(dòng)壓）。

接下來(lái)，太空探索公司的“星艦”將于4月挑戰(zhàn)首飛，不過(guò)鑒于新技術(shù)比重太高，馬斯克表示不炸臺(tái)即成功，其入軌首飛成功的概率很低。此后，“火神”將于5月執(zhí)行首飛，不過(guò)由于該火箭一再因發(fā)動(dòng)機(jī)推遲首飛時(shí)間，其如期實(shí)現(xiàn)首飛的概率也不是很高。那么，機(jī)會(huì)就又轉(zhuǎn)到了“朱雀二號(hào)”身上，目前該火箭已經(jīng)完成首飛任務(wù)的歸零工作，第二發(fā)火箭已經(jīng)在有序準(zhǔn)備當(dāng)中，計(jì)劃今年實(shí)現(xiàn)發(fā)射。如此一來(lái)，經(jīng)過(guò)改造提升的“朱雀二號(hào)”依然最有機(jī)會(huì)成為世界第一型成功入軌的液氧甲烷火箭。

作者：大白高國(guó)