章江

突破多項技術(shù)

2023年12月9日，“朱雀二號”遙三運載火箭（以下簡稱“朱雀二號”）在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，將3顆衛(wèi)星順利送入預(yù)定軌道。“朱雀二號”由此成為全球首枚成功將有效載荷送入指定軌道的液氧甲烷火箭。

“朱雀二號”是一款中型液體運載火箭，火箭總長為49.5米，起飛推力268噸。它的動力來自液氧甲烷發(fā)動機，其中一級發(fā)動機采用4臺“天鵲”80噸液氧甲烷發(fā)動機并聯(lián)，二級發(fā)動機則采用單臺液氧甲烷發(fā)動機。

“朱雀二號”可以將1.5噸重的航天器送入距離地球500千米的太陽同步軌道，后續(xù)改進(jìn)型可將運載能力提高到4噸，滿足近地軌道衛(wèi)星部署和空間運輸飛船的發(fā)射需求。

“朱雀二號”通過優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)、創(chuàng)新材料體系和制造工藝、重構(gòu)動力系統(tǒng)以及實現(xiàn)無塔架自動化發(fā)射等一系列創(chuàng)新，實現(xiàn)環(huán)保、經(jīng)濟、快速響應(yīng)、可復(fù)用、可量產(chǎn)等目標(biāo)，取得了多項技術(shù)突破。比如，它使用的是國內(nèi)首臺可重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動機，實現(xiàn)80噸發(fā)動機實際運用，燃燒技術(shù)、推力室燃燒效率等均達(dá)到國際一流水平。

提高航天實力

火箭推進(jìn)劑從類型上分為固體、液體和混合型，目前常見的火箭液體推進(jìn)劑主要有液氧煤油、液氫液氧和液氧甲烷等。

液氧煤油發(fā)動機采用液氧和煤油作為推進(jìn)劑，在運載火箭發(fā)展史上具有重要地位。煤油屬于綠色環(huán)保、經(jīng)濟性強的推進(jìn)劑，燃燒產(chǎn)物為水蒸氣和二氧化碳，無毒無污染，是綜合性能優(yōu)秀的推進(jìn)劑，已成為世界航天動力的主力。

從20世紀(jì)80年代起，我國開始研究液氧煤油發(fā)動機技術(shù)，是世界第二個完全掌握液氧煤油高壓補燃循環(huán)發(fā)動機技術(shù)的國家。液氧煤油發(fā)動機作為運載火箭的主動力裝置，在國家重大航天運載項目、商業(yè)航天運輸系統(tǒng)、重復(fù)使用運載器領(lǐng)域占有非常重要的位置，是實現(xiàn)航天強國的重要保障之一。

液氧液氫發(fā)動機采用液氧和液氫作為推進(jìn)劑。液氫是化學(xué)推進(jìn)劑中能量最高的燃料，采用液氧液氫作為推進(jìn)劑的發(fā)動機，燃燒效率比常規(guī)發(fā)動機高40%～50%。其燃燒產(chǎn)物為水蒸氣，清潔無污染。液氫與液氧易點火，燃燒穩(wěn)定且效率高，適宜各種動力循環(huán)方案，有利于發(fā)動機方案優(yōu)化與可靠性設(shè)計。

液氧液氫發(fā)動機能顯著提高火箭的運輸能力，在航天運載領(lǐng)域占有重要位置，是衡量國家航天實力的重要標(biāo)志之一。

目前我國的“長征五號”等新一代運載火箭的發(fā)動機都采用液氫液氧作為燃料，而研發(fā)中的泵壓式液體火箭發(fā)動機將支撐起更多重大航天任務(wù)的實施，包括載人登月、深空探測、天地往返重復(fù)使用運輸系統(tǒng)等。

代表發(fā)展方向

既然有了液氧煤油發(fā)動機和液氫液氧發(fā)動機，為什么還要發(fā)展液氧甲烷發(fā)動機呢？這就涉及到兩大主流推進(jìn)劑的缺點。

火箭用的煤油屬于精煉石油，含碳量高，燃燒后釋放的主要是二氧化碳。含碳少的汽油燃燒會在發(fā)動機里產(chǎn)生積碳，煤油的積碳問題更嚴(yán)重，所以每次飛行結(jié)束都得仔細(xì)清理，又累又費事，而且積碳可能堵塞噴注器。另外，煤油是常溫燃料，和液氧等低溫液體同時儲存極不方便，需要有特殊的隔熱層，這會給火箭增加制造成本和質(zhì)量?？傊?，煤油不適合可多次使用的火箭發(fā)動機。

再看液氫液氧發(fā)動機。這種燃料本身溫度極低，而多數(shù)材料在低溫下都會變脆，氫氣在一定壓力下很容易進(jìn)入金屬內(nèi)部破壞金屬結(jié)構(gòu)。同時，氫氣在氧氣中燃燒溫度特別高，多數(shù)材料也都難以耐受。這樣一來，發(fā)動機就得面對冰火兩重天的復(fù)雜熱力環(huán)境，很容易發(fā)生故障。在航天史上，液氫液氧發(fā)動機出現(xiàn)故障和爆炸的頻率最高，所以不適合多次重復(fù)使用。

相對于這兩種推進(jìn)劑，液氧甲烷推進(jìn)劑具有多種優(yōu)勢：推進(jìn)效率高，燃燒無積碳，點火機構(gòu)設(shè)計更容易，便于發(fā)動機回收復(fù)用，非常適合可重復(fù)使用的火箭或飛行器；甲烷與液氧的沸點也相差不多，貯箱間的隔熱需求大幅下降，減輕了結(jié)構(gòu)質(zhì)量；液氧甲烷推進(jìn)劑可以從天然氣、油田氣、可燃冰等中分離，來源廣泛，價格便宜，能夠進(jìn)一步降低火箭的成本。

不同軌道的多星布軌，需要在軌具備多次啟動的功能。液氧甲烷火箭發(fā)動機在此方面可謂一枝獨秀，因為它只需通過閥門控制推進(jìn)劑流動，就能控制發(fā)動機，快速完成再次啟動任務(wù)。固體燃料發(fā)動機一旦啟動，中途就很難停止燃燒，無法進(jìn)行多次啟動。

液氧甲烷火箭發(fā)動機以甲烷為推進(jìn)劑，液氧為助燃劑，兩者以一定的比例霧化后進(jìn)入燃燒室，最終能夠釋放巨大的推動力。這種發(fā)動機優(yōu)點突出，具備無毒環(huán)保、高可靠、高性能、低成本、易操作，以及可重復(fù)使用等特點，代表了航天主動力技術(shù)的發(fā)展方向。

“天鵲”發(fā)動機是目前中國推力最大的雙低溫液體火箭發(fā)動機，也是繼美國SpaceX的猛禽發(fā)動機、藍(lán)色起源的BE-4發(fā)動機之后，世界第三臺完成全系統(tǒng)試車考核的大推力液氧甲烷火箭發(fā)動機。

隨著“朱雀二號”順利完成任務(wù)，相信我國的航天推進(jìn)劑技術(shù)研發(fā)會更加完善、更加強大。