看过来，这款火箭不一般！
对于我国这样的航天大国来说，每年都会有很多枚火箭成功发射，这已经成为我国航天领域的“家常便饭”。然而，在2023年7月12日成功发射的朱雀二号遥二火箭却引起了人们的热议。这到底是为什么呢？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国家可不止中国，其他大国也在紧锣密鼓地研制中。例如，今年上半年，美国就有两家公司发射了两款液氧甲烷火箭，分别是人族一号火箭和“星舰”。“人族一号”液氧甲烷运载火箭（图片来源：光明网）只是，美国这两款火箭的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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