過去幾年中圍繞著中國產大火箭的研製，“兩種發動機，三種模組”的構型已經得到了航天愛好者的廣泛瞭解，兩種發動機中一是50噸級的液氫/液氧發動機，即採用燃氣發生器迴圈的YF-77；二是120噸級的液氧/煤油發動機，即採用高壓補燃迴圈的YF-100.不過，最近另一款發動機進入了公眾的視線，這就是採用液氧/甲烷推進劑的新型60噸級發動機，它由中國航天科技集團六院11所研製，近期成功進行了首次試驗。據新聞報道，從2006年以來，北京11所深入開展了60噸級液氧甲烷發動機關鍵技術研究。經過五年的艱苦攻關，突破了多項關鍵技術。

液氧/甲烷是非常古老的液體火箭發動機推進劑組合，1931年，德國研製了世界上第一臺液氧/甲烷（液化天然氣，LNG）發動機，開創了液氧/甲烷火箭發動機的研究歷史。中國研製甲烷發動機的起點非常之早，早在1986-1987年就開展了液氧/烴發動機的預先研究工作。先後進行了煤油、甲烷、丙烷的電傳熱試驗和推力室點火熱試驗，取得了實踐經驗。結果表明：三種燃料都能可靠點火；燃燒穩定；積碳的順序為煤油最大，丙烷次之，甲烷最少；傳熱效能是甲烷最好，丙烷次之，煤油較差；結焦的順序同積碳。但由於需要集中力量消化引進技術，並且將有限的資源集中於少數幾種重點型號上，因此沒有看到樣機的出現，但相關的技術探索一直在進行之中。

120噸級的YF-100高壓補燃煤油機和50噸級的YF-50氫氧機過去幾年一直是輿論關注的重點，而近期中國產液氧/甲烷試驗發動機浮出水面，受到了一定的關注

航天六院11所是什麼單位？

在龐大的中國航天系統中，航天六院和其他研究院一樣扮演者自身特殊的角色。現在我們所說的航天六院，是2008年重組後的新六院。新六院整合了中國位於陝西、北京、上海三地的液體動力專業資源——原六院及其成員單位，以及11所、101所、上海801所等，總部設在西安，共由10個研究所、工廠組成，並控股上市公司——陝西航天動力高科技股份有限公司。新六院是中國唯一集型號和運載火箭主動力系統、軌姿控動力系統、空間飛行器推進系統的研究、設計、生產、試驗於一體的航天液體動力專業研究院。在六院中11所於1958年4月創建於北京，現位於古城西安的航天城，是承擔中國航天大型運載器用液體火箭發動機研究、設計、生產和試驗任務的綜合性工程研究設計所。六院有兩座大型火箭發動機試車臺，一座是位於秦嶺南麓一條山溝裡的常規液體火箭發動機試車臺，一座是位於西安南郊的液氧煤油發動機試車臺。常規液體火箭發動機試車臺已經有近40年的“溝齡”，它承擔了400多次發動機試車任務，曾經是亞洲最大的液體火箭發動機試車臺。液氧/煤油發動機試車臺是專門為YF-100試車而言之的，最大可以試驗500噸級發動機，是美、俄兩國之外最大的液體火箭發動機試車臺。除此之外，六院還擁有全國規模最大、系統最全的泵水力試驗室，全國最完善的閥門液流試驗室，全國唯一的液體火箭發動機基礎理論研究室。

液氧/甲烷推進劑的優缺點

從物理效能看，甲烷屬於低溫推進劑，沸點為-161℃，其維護使用條件與液氫基本相同。在烴類燃料中，甲烷粘性最小，是煤油的1/3.液態甲烷經過再生冷卻後已接近氣態或已經是氣態。因此，LO2/CH4有接近LH2/LO2的特性，即在燃燒室裡噴嘴霧化的液滴細，蒸發快，燃燒速率高，具有燃燒效能好、燃燒穩定性高的優點。但由於甲烷沸點比液氫高很多，因此壓縮液化相對要容易很多，在貯箱的絕熱設計上也更容易，加上比重要比液氫大，因此環節了貯箱結構死重問題。甲烷的另一大優點是比熱高，是僅次於液氫的優良冷卻劑，相比煤油不容易結焦，利用設計合理的再生冷卻結構，可以帶走推力室和其他熱端部件的熱量，並且可以採用對再生冷卻有很高要求的分級燃燒迴圈或者膨脹迴圈，理論上氫氧低溫發動機都具有改造為液氧/甲烷發動機的可能。膨脹迴圈主要用於上面級發動機，而上面級重量的減輕有助於降低下面級的效能要求，對多級火箭總體設計的全面最佳化有好處。即便是採用燃氣發生器迴圈，由於結焦極限溫度接近1000℃，因此可以提高燃氣發生器的工作溫度，甲烷燃氣發生器的效率可達98%，而煤油只有62%～81%。根據液氧/甲烷發動機的優點，其應用方向包括兩個方面：其一是用於可重複使用運載器，由於甲烷冷卻效能良好、結焦溫度高、富燃燃燒積碳少、沸點低、重複使用時無需清洗等特點，液氧/甲烷發動機是可重複使用運載器較為理想的選擇；其二是用於運載器的上面級和長期在軌飛行器，由於液氧和甲烷沸點分別為90K和112K，接近空間溫度，便於空間長期貯存，同時貯箱間無需特殊的絕熱結構，因此液氧/甲烷發動機是未來無毒空間飛行器較好的動力選擇。

“宇宙神”V運載火箭採用的RD-180高壓補燃煤油發動機，採用分級迴圈的液氧/煤油發動機經過多年的發展已經比較成熟，和液氧/甲烷發動機相比兩者各有優缺點。值得注意的是，本次試車的中國產甲烷試驗發動機採用的很可能是傳統的燃氣發生器迴圈，但對於分級迴圈的甲烷機國內已經開展預研多年了。

不過，甲烷的再生冷卻優勢在分級燃燒液氧/煤油出現後受到了削弱，1986年NASA曾經研究過烴類燃料與推力室壁的相容性問題，結果顯示甲烷中含硫量高於5ppm時對銅內壁有明顯腐蝕，而在冷卻通道上鍍金或鉑後腐蝕明顯減少，但貴金屬的採用大大增加了發動機的生產成本。於此相對應的是，蘇聯在高壓補燃煤油機上迴圈發過、結構設計、材料選用、燃料精煉四管齊下，使液氧/煤油發動機效能達到了與液氧/甲烷發動機相媲美的程度，這也是在一段時間內甲烷發動機受到冷遇的重要原因。另外，甲烷密度太小，飽和蒸汽壓高，緻密度比衝太低和泵汽蝕效能不易保證，這一特性與液氫比較類似。烴類燃料大多與液氧配伍，作為發動機推進劑組合。液氧/甲烷發動機的理論比衝比液氧/液氫發動機低很多，僅僅比液氧/煤油發動機高約100m/s，而密度比衝又比液氧/煤油發動機低很多，這導致燃料箱會有較大的結構死重。同時，甲烷的使用安全性在烴類燃料中偏低，甲烷由於分子量較小，是空氣的0.57倍，即比空氣輕的多，任何洩出或滲漏，都可以像液氫一樣，立即上升並散失在大氣中。當然，甲烷畢竟比液氫要好些，更比同屬低分子量烷烴的丙烷好，因為丙烷分子量不僅比甲烷多很多，也比空氣大，任何洩出或滲漏，會積聚在地面或角落裡，遇明火易爆炸；丙烷的爆炸容積百分數比甲烷低的多，丙烷為2.5%～9.5%，甲烷為5%～15%；自動點火溫度丙烷也比甲烷低，丙烷為450℃，甲烷為540℃。使用安全性的次序為：煤油最好，甲烷次之，丙烷最差。

甲烷發動機燒的是天然氣嗎？

學過中學化學的人都知道，天然氣中的主要成份一般是甲烷，甲烷可以從儲量豐富的天然氣中獲取，因此成本相對其他推進劑具有優勢。但將航天級液態甲烷和液化天然氣相提並論卻是完全錯誤的，所有的天然氣都是混合物，其中混有大量的雜質，而這些雜質都是必須要去除的。世界各地開採的天然氣，其甲烷體積分數和質量分數都不相同，一般混有不等的丙烷等其他烴類，而加註進火箭的必須是高純度甲烷。在所有雜質中最需要去除的是硫，而幾乎所有的天然氣中都含有一定量的硫。而硫具有腐蝕性，研究表明，只要甲烷推進劑中含有1ppm（百萬分之一）的硫，就會導致再生冷卻結構的銅合金腐蝕，因此必須要將含硫量控制到很低的水平。如果對1ppm沒有概念的話，可以比較一下最常見的RP-1煤油，其含硫量只要求不超過50ppm，而蘇聯為了研製高壓補燃煤油機，也只不過就是將含硫量控制到了20ppm以下，而甲烷如果做成火箭推進劑還要再降低兩個數量級。

這是被取消的“星座”計劃中“牛郎星”登月艙的下降段模組，實際上NASA計劃在“牛郎星”的下降級和上升級發動機上都採用液氧/甲烷方案

這裡順便要提一下的是液氫的來源。大家都知道，電解水可以獲得氫氣和氧氣，而電解飽和氯化鈉水溶液可以獲得氫氣、氯氣和氫氧化鈉。用這兩種方法都可以獲得氫氣，經過壓縮後就可以獲得液氫，這也是製備液氫燃料的傳統方式。但是隨著石化和煤化工業的發展，這兩種高耗能的方式已經不受歡迎。在裂解石油和生產烯烴過程中可以收得一定的氫（主要用於各種煉化和石化產品的加氫精制），而利用水煤氣反應淨化除一氧化碳後也可以獲得氫，這兩種方式可以用更低的成本獲得更大量的氫。其實，石油與天然氣的煉化一體化和煤化工（包括利用高爐氣）也能生產甲烷，這是直接分離精製天然氣之外的另一大甲烷來源。但總而言之，天然氣要加工成合格的火箭燃料是很複雜的，至少要經過淨化脫硫程式。當然，除了純甲烷發動機，國外也的確有液化天然氣（LNG）發動機的研製，但這種液化天然氣絕對不能和市售鋼瓶裝的那種產品相提並論。

雖然新聞報道宣告，甲烷發動機的首次試驗全面驗證了該發動機的關鍵技術，標誌著中國在發展先進火箭推進技術方面取得了重大突破，但這更多地只能看作一種鼓舞士氣的宣傳，而非真實的科研進度。更直接一點，從來就沒有一次試車便告成功的發動機，此前的50噸級氫氧機和120噸級煤油機不是，現在的60噸級甲烷機同樣也不是。事實上，火箭發動機研製過程中，絕大部分成本都耗費在了試車過程中，在那一縷青煙中無數金錢被消耗掉，用燒錢來形容一點都不為過。從國內外的普遍經驗來看，從歷史上來看，整個火箭發動機研製成本的大約75%花費在“試驗/失敗/修改”（TFF）這一過程中，臺架試驗並不僅僅是燒掉了那麼多高能燃料那麼簡單，需要更具試車中暴露出的各種問題反覆最佳化工作引數和改進發動機設計。一旦出現預期之外的技術問題就需要修改設計，而每一個經過修改的設計都要重做試驗以證明有效，這些都會帶來成本。如果技術問題短期內無法被克服，輪番更換不同的解決方案不僅會使試車遷延日久，砸進去的金錢會像流水一樣，而這些研製過程中發生的成本，最終會攤到採購成本和發射費用上去。一些成本高昂的經典發動機，例如“土星”V的F-1、太空梭的SSME等，都是因為在試車時暴露出各種預想之外的嚴重問題，然後對發動機進行了許多大改動所致。

對於任何火箭發動機的研製過程而言臺架試車都是最為重要的，上圖為正在進行試車的洛克達因CECE試驗發動機，但這次試車採用的並不是液氧/甲烷推進劑，而仍舊是液氧/液氫推進劑。噴管上可以見到相互緊靠著的大量管束是管道壁再生冷卻結構，其中流動的是超臨界的液氫，對於甲烷機來說再生冷卻可以採用液態甲烷。

另外，很多初中級航天愛好者並不瞭解液體火箭發動機技術，點火技術是一個非常重要的技術環節，非自燃推進劑都需要設定專門的點火裝置。更重要的是，甲烷在點火特性上有很多特殊點，簡單地說就是甲烷機不容易點著，需要在設計上採取一些特殊的手段。在歐美研製甲烷發動機的過程中，點火特性是第一個需要跨越的技術門檻。對於燃氣發生器迴圈而言，燃氣發生器和推力室都需要點火裝置，它們的要求也是不完全相同的。從甲烷發動機的點火技術來看，中國也的確進行了比較深入的研究，探索了化學點火劑點火、電火花點火、火藥點火等不同方案。從這個意義上說，60級甲烷發動機首次試車便告成功，當然是非常可喜可賀的事情，這表明其點火裝置設計基本上是成功的，但離新聞中所說的“全面驗證關鍵技術”相差得還非常遠，並不是好像新型號已經唾手可得了。而且即使是點火裝置，在後續的試車中也可能更換其他方案，以進一步比較不同方案之間的優劣，因此點火這一頁也不能就說已經徹底翻過去了。

上圖為ATK和XCOR兩家公司聯合研製的甲烷發動機。甲烷發動機點火比較困難，因此點火裝置設計是一大難點，中國產甲烷試驗發動機首次試車成功表明已經成功跨過了甲烷機的點火關，但離完成全系統的驗證還有很漫長的道路要走，就連點火裝置本身也需要驗證和修改幾個來回。

60噸級甲烷機有多先進？

甲烷發動機近年來得到了許多國家的重視，美國、俄國、歐空局、日本等都有相關的研究報道，但是絕大多數推力都在200kN以下。出現這種情況的原因是，美國、歐空局、日本都擁有氫氧下面級發動機，目前還在繼續對氫氧機進行完善。而國內本次試驗是國際上首次60噸級液氧/甲烷發動機試驗，其工作引數在目前世界同類發動機試驗中是最高的，表明中國液氧甲烷發動機研究居於國際領先水平，也成功探索了基於現有氫氧發動機平臺研製低溫液氧甲烷發動機的新途徑。從噸位上來看，60噸級甲烷機可能是在YF-77基礎上改造而來的，利用甲烷的效能略微提升了推力，但估計比衝會有較大幅度的下降。從公開文獻來看，日本當年在LE-7氫氧機上是做過改用甲烷的試驗的，其推力應該大於目前中國正在試車的60噸級發動機，但是LE-7後來並未把這條路繼續走下去。俄羅斯目前正在研製有2400kN的甲烷機，其推力在200噸以上，並且正在和法國斯奈克瑪公司展開合作研製“伏爾加”（Volga）發動機，計劃用於歐空局未來運載火箭準備專案（FLPP），該專案還計劃在上面級上採用甲烷發動機。2009年7月，歐空局開始試驗“伏爾加”發動機演示器。

CECE是洛克達因公司的低溫試驗發動機，可以採用液氧/液氫或者液氧/甲烷推進劑，由於採用了膨脹迴圈其技術非常先進，但從推力上來說遠不及中國產60噸液氧/甲烷試驗發動機

沒聽說不代表沒有人研究。現在是基本成熟了，開始宣傳和使用了。還有就是那時候資訊沒有這麼發達，傳播的沒這麼廣，這麼快。

主要是以前沒這個需求，現在的話要搞可回收火箭嘛，那不就是有這個需求了嗎？不然不用液氧甲烷就得用液氫，那東西又太貴了。

這仍然是一個噱頭而已！

從燃料電池到氫燃料再到蓄電池的不斷推進，豈不知能量是永遠守恆的？

難道自然界存在天然的液氧和甲烷嗎？他們的成本比石油煤炭還低嗎？

不是技術進步，是降本增效。

目前常用的四種燃料，第一種常溫液體燃料有毒，第二種固體燃料成本，太多手工環節，不適合大量生產，更加不適合做大，效能也一般。第三種是液氧液氫燃料，液氫的製備和儲存成本非常的高，並不是電解水獲取氫氣再液化那麼簡單，並且液化過程需要用到氦，這個東西很缺，尤其是中國很缺。第四種液氧煤油，航天級別煤油產量並不高，對於原料和加工都有比較高的要求，而且煤油的級別對於火箭效能影響很大。

過去，航天事業規模並不大，美蘇航天競賽是舉地球之力進行的，這些都不是問題，隨著的蘇聯解體航天事業進入低迷期，現在要重啟航天事業並且把規模做上去，降低成本是最重要的。

火箭本身降低成本，空叉給了一個答案，就是儘可能多的重複使用，而火箭燃料方面，安全、廉價、容易大量生產的燃料就更重要了。和航天級煤油與液氫相比，甲烷更容易獲得並且廉價，幾乎是想要多少可以買到多少，所以以空叉、藍色起源毫無意外的選擇用液氧甲烷作為新一代火箭發動機的燃料。中國的藍箭等公司也是，這個不是跟風，是對成本更敏感、後臺不夠硬的私有或者民營公司的必然選擇。

而作為國家專案的sls或者長征9號這種級別的怪物來說，成本相差一點並不要緊，擁有足夠的效能完成任務最重要，反正一共也打不了幾發。長征九號選擇液氧煤油+液氧液氫，NASA選擇液氧液氫+固推，都是各自玩的最熟，最容易做到並且把效能發揮到極致。