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閱讀：19發(fā)布時(shí)間：2024-11-23
很顯然，要把越重的載荷送往越遠(yuǎn)的軌道，對(duì)火箭運(yùn)力的要求就越高。當(dāng)年把阿波羅載人登月任務(wù)送上月球表面的巨無(wú)霸，高達(dá)110米、直徑10米、自重3000噸、近地軌道LEO運(yùn)載能力140噸的土星五號(hào)甲烷和水的沸點(diǎn)哪個(gè)高，就有著開(kāi)了掛的至今任然無(wú)法超越的發(fā)動(dòng)機(jī)。
（左）土星五號(hào)的F1發(fā)動(dòng)機(jī)與火箭之父馮·布勞恩合照。來(lái)源：NASA；（右）空間中心對(duì)游人展出的單個(gè)F1發(fā)動(dòng)機(jī)。來(lái)源：維基/Jud McCranie
而“朱雀二號(hào)"將要采用的，就是我們開(kāi)頭提到的“天鵲"（TQ-12）發(fā)動(dòng)機(jī)，這是藍(lán)箭航天自主研發(fā)的新一代運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)，也是臺(tái)商業(yè)航天企業(yè)研制的大推力液氧-甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。
液氧-甲烷這種推進(jìn)劑組合，其實(shí)以前用的并不多…不過(guò)呢，這又確實(shí)近年來(lái)各大航天機(jī)構(gòu)的研發(fā)熱點(diǎn)。什么鬼…火箭用啥推進(jìn)劑到底有啥講究？不是能燒就完事兒了么？
最直觀的，我們希望火箭的推進(jìn)效率越高越好，也就是說(shuō)，希望用質(zhì)量盡量小的燃料，產(chǎn)生出盡量大的推力。這就引出了一個(gè)的指標(biāo)：比沖（Specific impulse, Isp ），意思是單位質(zhì)量的推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量大小。這也是火箭推進(jìn)劑最最重要的指標(biāo)之一。
通常來(lái)說(shuō)我們可以簡(jiǎn)單把比沖理解為1千克的某種燃料產(chǎn)生1千克力（在地球上就是9.8牛頓）的推力可以持續(xù)的時(shí)間，單位是秒（s）。
不同混合比下的比沖會(huì)略有差異。推進(jìn)劑參數(shù)整理自：[4]和[5]
顯然，液氧-液氫推進(jìn)劑的比沖有壓倒性的優(yōu)勢(shì)，液氧-甲烷次之，然而早期乃至目前的火箭發(fā)射用的最多的卻是-偏二甲肼和液氧-煤油。
也就是說(shuō)，除了比沖之外，還有很多需要考慮的因素。
比如容易點(diǎn)燃：-偏二甲肼接觸即燃，我國(guó)的長(zhǎng)征二號(hào)到四號(hào)系列火箭都是用的-偏二甲肼作為主發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑。（不過(guò)這東西劇毒甲烷和水的沸點(diǎn)哪個(gè)高，以后會(huì)慢慢退出歷史舞臺(tái)的）
比如存儲(chǔ)便利：液氫的沸點(diǎn)低達(dá)零下253攝氏度，這本身就已經(jīng)對(duì)存儲(chǔ)有很高要求了…更要命的是…液氧的凝固點(diǎn)是零下223攝氏度——這意味著這倆東西還不能連著放，而是要分開(kāi)做好隔熱，不然液氫直接就把液氧給凍了。相比之下液氧-煤油或者-偏二甲肼的存儲(chǔ)就方便得多。
比如體積?。阂貉?液氫雖然比沖，但液氫的密度太小了，不到煤油的十分之一…這意味著…需要一個(gè)巨大的罐子來(lái)裝液氫燃料…典型的例子就是…航天飛機(jī)了…
高達(dá)近60米的航天飛機(jī)，發(fā)射的時(shí)候最龐大的一部分（橙色的罐子）就是推進(jìn)劑…橙色罐子上面一小部分是液氧，下面一大部分都是液氫——這大大限制了液氫-液氧火箭的尺寸。
所以考慮到密度比沖的話，其實(shí)液氧-液氫的密度比沖反而是的…而劇毒的-偏二甲肼反而變得很優(yōu)秀了…
航天飛機(jī)：我要…背著燃料往上飛▼
2008年5月31日，發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射。側(cè)面兩個(gè)是固體推進(jìn)劑助推器。來(lái)源：NASA[6]
當(dāng)然，實(shí)際考慮的還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。比如液氫和液氧會(huì)隨著溫度升高不斷蒸發(fā)，為了保證儲(chǔ)罐的安全需要不斷泄壓，導(dǎo)致它們很難成為火星甚至更遠(yuǎn)的長(zhǎng)期深空探測(cè)的理想推進(jìn)劑[7]。筆者目前能力有限，這里就不展開(kāi)了。
當(dāng)然，這里只說(shuō)了液體推進(jìn)劑，事實(shí)上可考慮的推進(jìn)劑種類還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。比如固體推進(jìn)劑，雖然比沖低，但存儲(chǔ)便利而且穩(wěn)定、所需的準(zhǔn)備時(shí)間也短，我國(guó)的長(zhǎng)征十一號(hào)火箭、藍(lán)箭的朱雀一號(hào)火箭，都是用的固體推進(jìn)劑。又比如離子推進(jìn)劑，比沖指標(biāo)優(yōu)秀，當(dāng)年僅攜帶了425公斤離子推進(jìn)劑的黎明號(hào)總計(jì)獲得超過(guò)10公里/秒的速度增量，這在深空探測(cè)器中是極其優(yōu)秀的（詳情：NASA黎明號(hào)即將結(jié)束任務(wù)：再見(jiàn)，小行星帶的窮游博主?。籎AXA的隼鳥(niǎo)號(hào)和隼鳥(niǎo)2號(hào)也是用的離子推進(jìn)劑（詳情：不死鳥(niǎo)傳奇——“隼鳥(niǎo)"家族的小行星之旅（上）），但離子推進(jìn)劑在技術(shù)上目前也還有很多不足。限于篇幅，這里也不展開(kāi)了。
總之，考慮了上面這些因素之后…液氧-甲烷推進(jìn)劑的優(yōu)勢(shì)還并不突出。然而時(shí)也運(yùn)也，液氧-甲烷火箭卻在如今的太空探索新時(shí)代展現(xiàn)出了自己的優(yōu)勢(shì)。
這首先是因?yàn)橐貉?甲烷本身各方面指標(biāo)也還不錯(cuò)：在上面提到的四種常見(jiàn)液態(tài)推進(jìn)劑里，液氧-甲烷的比沖僅次于液氧-液氫，密度比沖也可以排上第二，沸點(diǎn)零下162攝氏度和液氧（零下183攝氏度）接近，儲(chǔ)存難度也相對(duì)較低——總之不是名，但也是好學(xué)生。
在此基礎(chǔ)上，液氧-甲烷推進(jìn)劑還有一點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)：
其一是低成本可重復(fù)使用。煤油容易結(jié)焦和產(chǎn)生積碳，液氫會(huì)讓一些金屬材料變得像陶瓷一樣脆硬（也就是“氫脆"），這些都會(huì)減少火箭零件的壽命，而液態(tài)甲烷則幾乎沒(méi)有這些問(wèn)題，因此液氧-甲烷更適合做可回收火箭的推進(jìn)劑。
其二是資源豐富易制備。對(duì)地球上的火箭來(lái)說(shuō)，獲取高純度煤油并不算困難，但對(duì)外太空來(lái)說(shuō)，甲烷反而可能是利的原位資源。
例如，火星的大氣中就有一定量的甲烷，目前人們也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)地表似乎有時(shí)還會(huì)有來(lái)源尚不明確的區(qū)域性的甲烷爆發(fā)（詳情：《科學(xué)》雜志：好奇號(hào)發(fā)現(xiàn)火星遠(yuǎn)古有機(jī)物，我們離發(fā)現(xiàn)生命還有多遠(yuǎn)？）。
SpaceX伊隆·馬斯克的火星大計(jì)中也有利用二氧化碳+氫氣，通過(guò)Sabatier反應(yīng)生產(chǎn)甲烷與水的計(jì)劃，用于滿足航天器的燃料需求。
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