一箭三星,朱雀二號(hào)再入軌!液氧甲烷火箭有何優(yōu)勢(shì)?
來(lái)源:科普中國(guó)
發(fā)布時(shí)間:2023-12-11
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北京時(shí)間2023年12月9日07時(shí)39分,朱雀二號(hào)遙三運(yùn)載火箭在我國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空,將搭載的鴻鵠衛(wèi)星、天儀33衛(wèi)星及鴻鵠二號(hào)衛(wèi)星順利送入預(yù)定軌道,發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。此次任務(wù)是朱雀二號(hào)運(yùn)載火箭第3次飛行。

(圖片來(lái)源:我們的太空)

本次“一箭三星”商業(yè)發(fā)射任務(wù)勝利收官,標(biāo)志著朱雀二號(hào)作為全球首款連續(xù)發(fā)射成功的液氧甲烷運(yùn)載火箭,其技術(shù)狀態(tài)成熟度和穩(wěn)定性得到進(jìn)一步驗(yàn)證,可靠性達(dá)到商業(yè)化發(fā)射交付要求。藍(lán)箭航天也成為國(guó)內(nèi)民商航天中最早實(shí)現(xiàn)中大型液體運(yùn)載火箭連續(xù)發(fā)射成功的企業(yè),率先開(kāi)啟了國(guó)內(nèi)主流液體火箭規(guī)模化商業(yè)發(fā)射的新階段。

(圖片來(lái)源:藍(lán)箭航天)

朱雀二號(hào)是枚怎樣的火箭?

朱雀二號(hào)是我國(guó)首型以液氧甲烷為推進(jìn)劑的中型液體火箭,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),致力于為客戶提供低成本、高可靠的發(fā)射服務(wù),滿足多場(chǎng)景下的商業(yè)發(fā)射需求。全箭總長(zhǎng)49.5m,箭體直徑3.35m,起飛質(zhì)量220噸(不含有效載荷),起飛推力268噸?;鸺患?jí)采用4臺(tái)天鵲80噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián),二級(jí)采用1臺(tái)天鵲80噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)和1臺(tái)天鵲10噸級(jí)游動(dòng)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)組合而成。運(yùn)載能力為500km太陽(yáng)同步軌道1.5噸,后續(xù)改進(jìn)型可達(dá)到500km太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力4噸,能夠滿足近地軌道衛(wèi)星部署和飛船發(fā)射的需求。


此前,朱雀二號(hào)遙二火箭已于2023年7月12日實(shí)施發(fā)射,一舉奪得全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭桂冠,填補(bǔ)了我國(guó)液氧甲烷火箭技術(shù)路線的空白。

(圖片來(lái)源:藍(lán)箭航天)

此次朱雀二號(hào)遙三火箭成功將天儀研究院研制的鴻鵠衛(wèi)星和天儀33衛(wèi)星,鴻擎科技研制的鴻鵠二號(hào)衛(wèi)星送入460km太陽(yáng)同步軌道,系該型火箭成功執(zhí)行一箭多星商業(yè)發(fā)射任務(wù),代表藍(lán)箭航天在商業(yè)化運(yùn)營(yíng)能力建設(shè)方面取得了穩(wěn)步進(jìn)展。


運(yùn)載火箭,液態(tài)燃料才是王道

49.5米的身高,219噸的起飛質(zhì)量,朱雀二號(hào)作為一款中型運(yùn)載火箭,乍一看上去并無(wú)多少亮眼之處,但實(shí)際上,朱雀二號(hào)在國(guó)內(nèi)外商業(yè)航天界絕對(duì)是一款劃時(shí)代的產(chǎn)品。

(圖片來(lái)源:我們的天空)

首先,朱雀二號(hào)遙二火箭的成功發(fā)射本身就創(chuàng)造了一項(xiàng)世界記錄:它是世界首款成功發(fā)射入軌的液氧甲烷運(yùn)載火箭。注意這里的關(guān)鍵詞:“液氧甲烷”,這就要從為朱雀二號(hào)提供強(qiáng)大動(dòng)力的“天鵲”系列火箭發(fā)動(dòng)機(jī)說(shuō)起了。


從原理上來(lái)講,火箭實(shí)際就是利用自身攜帶的推進(jìn)劑發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生高速?lài)娚涞臒釟饬鱽?lái)推進(jìn)的動(dòng)力裝置。對(duì)于以空間運(yùn)輸為主要任務(wù)的運(yùn)載火箭而言,其發(fā)動(dòng)機(jī)有四種主流推進(jìn)劑方案可供選擇:固體燃料、四氧化二氮/偏二甲肼、液氧煤油和液氧液氫。首先是固體推進(jìn)劑方案,這應(yīng)該算是歷史最悠久的火箭動(dòng)力燃料了,古代用黑火藥作為燃料的原始火箭就屬于固體火箭的一種。這種推進(jìn)劑的優(yōu)點(diǎn)是易于長(zhǎng)期貯存,能夠應(yīng)對(duì)突發(fā)情況,技術(shù)簡(jiǎn)單等。但短板也是非常明顯,比如比沖小、推力不可調(diào)等。


這里就涉及到一個(gè)關(guān)鍵概念:比沖,即單位推進(jìn)劑的量所產(chǎn)生的沖量,單位是秒(s)。可以理解為一個(gè)單位質(zhì)量的推進(jìn)劑產(chǎn)生一個(gè)單位的推力能夠持續(xù)的時(shí)間,這是衡量火箭發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的重要參數(shù),一般而言,比沖值越大,就表明火箭的動(dòng)力性能越優(yōu)越。顯然,比沖值普遍較小的固體火箭難以擔(dān)當(dāng)運(yùn)載火箭發(fā)射的重任,只能作為輔助動(dòng)力登場(chǎng)。比如航天飛機(jī)發(fā)射時(shí)配備的兩枚白色助推火箭就是使用了固體推進(jìn)劑。


而如今主流的運(yùn)載火箭的主發(fā)動(dòng)機(jī)基本都是采用液體推進(jìn)劑方案,與固體推進(jìn)劑不同,這類(lèi)方案中推進(jìn)劑分為液態(tài)燃料和液態(tài)氧化劑兩類(lèi),他們?cè)谶\(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上一般是分別貯存在兩個(gè)空間中,在進(jìn)入燃燒室后激烈反應(yīng)后產(chǎn)生推力。在所有液體推進(jìn)劑方案中,液氧是最為悠久的氧化劑,1926年人類(lèi)歷史上第一枚液體燃料火箭就使用了液氧(氧化劑)+汽油(燃料劑)的方案,同時(shí)也是最為高效廉價(jià)的氧化劑,很多主流運(yùn)載火箭的主力發(fā)動(dòng)機(jī)都采用液氧為氧化劑,不同是與之搭配的燃燒劑。這其中液氧+煤油、液氧+液氫是應(yīng)用最廣泛的搭配方案。

▲SpaceX位于肯尼迪航天發(fā)射中心的液氧儲(chǔ)罐(圖片來(lái)源:SpaceX)


我們知道,氫氣的燃燒能量驚人,每克氫氣充分燃燒后能夠釋放約141千焦的能量,這讓它雄居人類(lèi)已知燃料劑能量榜榜首。從最大程度提升火箭動(dòng)力的角度來(lái)看,液氧與液氫是最佳選擇,他們能夠讓發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生最高463.1秒的理論真空比沖值。當(dāng)年運(yùn)載阿波羅登月飛船的土星5號(hào)超重型火箭的第一級(jí)與第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī),以及擁有人類(lèi)最大推力的前蘇聯(lián)能源號(hào)火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)就采用了液氫液氧推進(jìn)劑。當(dāng)然這種推進(jìn)劑方案也有明顯的缺點(diǎn):液氫液氧本身就需要在低溫狀態(tài)下貯存,而液氧的溫度又比液氫高,加上液氫本身占據(jù)的空間就大,這就導(dǎo)致火箭燃料箱與氧化劑箱的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜,由此帶來(lái)的高昂成本基本把將重視節(jié)約的商業(yè)航天拒之門(mén)外。


在液氧之外,人們還曾嘗試用四氧化二氮作為氧化劑,搭配偏二甲肼作為燃料劑,比如用于運(yùn)送神舟系列載人飛船的長(zhǎng)征-2F型火箭,以及俄羅斯的質(zhì)子M火箭,這類(lèi)推進(jìn)劑可以實(shí)現(xiàn)常溫保存,但四氧化二氮有劇毒,且本身的制備成本很高,搭配偏二甲肼后產(chǎn)生的最大理論真空比沖值約在347秒,相比其他液體推進(jìn)劑方案并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì),對(duì)于商業(yè)航天而言也不是理想的選擇。


要想實(shí)現(xiàn)高性?xún)r(jià)比的發(fā)射,商業(yè)運(yùn)載火箭還是要回歸到液氧上。

得益于火箭貯箱工藝技術(shù)的發(fā)展,液氧的貯存成本大幅下降,這種易于制造和儲(chǔ)備的氧化劑成為商業(yè)航天的不二選擇,問(wèn)題是要以何種燃料劑作為它的搭檔。上文提到的液氫由于貯存成本過(guò)高肯定不在考慮之列,目前很多商業(yè)航天企業(yè)采用的是液氧+煤油的方案,這種搭配雖然產(chǎn)生的比沖值略低于液氧+液氫,但煤油的貯存方便,且易獲取,成本容易把控,液氧+煤油的方案能夠產(chǎn)生最大367秒的理論真空比沖值。土星5號(hào)的第一級(jí)火箭主發(fā)動(dòng)機(jī),以及SpaceX廣泛使用的“梅林”發(fā)動(dòng)機(jī)就是采用這種推進(jìn)劑方案。但煤油燃燒后會(huì)產(chǎn)生積碳,這給發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)帶來(lái)不少壓力。


液氧+甲烷,新興的火箭推進(jìn)劑方案

那么,在液氧+煤油之外,還有沒(méi)有其他更適于商業(yè)航天發(fā)射的推進(jìn)劑呢?

這就要說(shuō)起天鵲12型所采用的方案:液氧+甲烷。作為燃料劑,甲烷擁有一大優(yōu)勢(shì):即液態(tài)溫度與液態(tài)氧非常接近,這就省去了如液氧+液氫方案那樣給燃料劑箱和氧化劑箱做隔熱的成本。而且甲烷的密度也遠(yuǎn)高于液氫,這讓火箭能夠在同等體積下加注更多的燃料。最重要的是,甲烷本身的制備成本也低于液氫、煤油和偏二甲肼。雖然液氧+甲烷的方案所產(chǎn)生的動(dòng)力還是要比液氧液氫低不少(液氧+甲烷產(chǎn)生的最大理論比沖值約為379秒),但也已與液氧煤油推進(jìn)劑在伯仲之間,加上本身綠色環(huán)保的特點(diǎn),液氧+甲烷的方案順應(yīng)了未來(lái)新一代運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展方向。對(duì)于矢志追求降本增效的商業(yè)航天而言,液氧甲烷正在成為新寵。


目前世界上的商業(yè)航天巨頭SpaceX正在全力研發(fā)大推力的“猛禽”系列液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。這是世界上亮相的第一款液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī),早在2012年就投入研發(fā),2016年就開(kāi)始進(jìn)行全發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)。目前已經(jīng)發(fā)展到第三代的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī),能在真空中產(chǎn)生高達(dá)2530千牛的推力,真空比沖值更是達(dá)到了363秒,要知道當(dāng)年勢(shì)大力沉的土星5號(hào)火箭,它所裝備的第二級(jí)液氧液氫主發(fā)動(dòng)機(jī)J-2型,在這兩項(xiàng)的指標(biāo)也不過(guò)是1202千牛和421秒。

▲SpaceX研發(fā)的兩款液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī),右為采用全流量分級(jí)燃燒循環(huán)模式的“猛禽”,左為采用開(kāi)式循環(huán)的“梅林”(圖片來(lái)源:推特)

在SpaceX之外,另一家世界商業(yè)航天頭部企業(yè)“藍(lán)色起源”也非常熱衷于液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)。該公司從2011年就啟動(dòng)了BE-4型液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)項(xiàng)目,2017年進(jìn)行了首次發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,BE-4的真空推力將達(dá)到2400千牛,真空比沖值雖沒(méi)有官方數(shù)據(jù),但普遍推測(cè)在340秒左右??梢?jiàn)這是個(gè)與“猛禽”不分伯仲的大力士。


相比于這兩位重量級(jí)選手,“藍(lán)箭航天”的天鵲12型發(fā)動(dòng)機(jī)只能算是個(gè)后進(jìn)生,首先天鵲12型研制工作在2017年才開(kāi)始,2019年才完成首次試車(chē),算是世界上第三亮相的液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。而且無(wú)論是“猛禽”還是BE-4,在設(shè)計(jì)之處就要求能夠重復(fù)使用。雖然都是以液氧甲烷為推進(jìn)劑,但三者的設(shè)計(jì)思路還是存在明顯差異。發(fā)動(dòng)機(jī)里的燃料劑和氧化劑是需要在燃燒室里混合燃燒才能產(chǎn)生推力,那么以什么方式讓兩者相遇,就會(huì)劃分出不同的燃燒循環(huán)模式。


“猛禽”與BE-4都采用了“分級(jí)燃燒循環(huán)模式”,其基本原理就是:燃料劑或氧化劑預(yù)先在預(yù)燃室進(jìn)行一次富燃燃燒(大量的燃料與少量氧化劑燃燒)或者富氧燃燒(大量的氧化劑和少量的燃料燃燒),燃燒產(chǎn)生的熱量驅(qū)動(dòng)渦輪帶動(dòng)泵結(jié)構(gòu)輸送燃料或氧化劑。然后產(chǎn)生的尾氣送入主燃燒室作最終燃燒產(chǎn)生推力。這種模式在很大程度上提高了推進(jìn)劑的利用率,從而增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖量。


但這兩者也存在不同,“猛禽”采用的是最為大膽激進(jìn)的“全流量分級(jí)燃燒循環(huán)”模式。這是分級(jí)燃燒循環(huán)模式的一種,其實(shí)質(zhì)就是燃料劑和氧化劑都要預(yù)先經(jīng)過(guò)富燃和富氧燃燒,故而被稱(chēng)為“全流量”,這種模式將發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑的利用率達(dá)到最高,同時(shí)延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命,但這種復(fù)雜的循環(huán)模式也帶來(lái)了結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造工藝要求高等難題,從“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)漫長(zhǎng)的研發(fā)周期就能窺見(jiàn)一斑。相比之下,BE-4的設(shè)計(jì)要相對(duì)保守些,采用基本的分級(jí)燃燒循環(huán)模式,也就是只設(shè)置一個(gè)預(yù)燃室,只進(jìn)行一次富氧燃燒。BE-4燃燒效率要低于“猛禽“,但研發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)更加可控。不過(guò)由于種種原因,BE-4目前依舊只停留在地面試車(chē)階段。

▲幾種液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式示意圖(圖片來(lái)源:flownex.com)

相比“猛禽“和BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì),天鵲12型采用了更為簡(jiǎn)單的“開(kāi)式循環(huán)模式”,這種模式?jīng)]有復(fù)雜的預(yù)燃工況,只是設(shè)置一個(gè)燃?xì)獍l(fā)生器,讓部分液氧和甲烷在此燃燒產(chǎn)生動(dòng)力驅(qū)動(dòng)渦輪,再由渦輪驅(qū)動(dòng)燃料泵和氧化劑泵,將液氧和甲烷直接送到主燃料室進(jìn)行燃燒。與“分級(jí)燃燒循環(huán)模式”不同,燃?xì)獍l(fā)生器所產(chǎn)生的尾氣不再二次燃燒,而是直接當(dāng)作廢氣排放掉,這顯然讓天鵲12型在推進(jìn)劑利用率上存在一定的短板,但簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)帶來(lái)的低成本與低風(fēng)險(xiǎn),卻也非常契合商業(yè)航天的基本需求。雖然天鵲12型面世最晚,但研發(fā)進(jìn)度最快,并成功助力朱雀二號(hào)摘得全球首個(gè)成功入軌的液氧甲烷火箭的桂冠。

來(lái)源:北京科技報(bào),撰文/段然,部分內(nèi)容綜合藍(lán)箭航天、我們的太空等。


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