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  • 1 # 太空精釀

    現在火箭普遍使用的主力燃料有四種,

    表格摘自本人的電子書:《一小時讀懂人類航天史》

    (臨時插播一個小知識點:火箭發動機最重要的評價指標之一是比衝,單位習慣使用秒(s)。可以理解為1kg的燃料產生1kg力的推力可以持續的時間(秒數),比衝越高越好意味著相同質量的燃料火箭能獲得更多動量。)

    對於這四種主流燃料而言,各有優缺點

    1.固體燃料只適用提供短期大推力(起飛階段/助推器)、長期貯存隨時應急情況。但是燃料是戰備物資且極其昂貴,且比衝過低根本幹不了大活,必須發展但不可能成為主力;

    2.四氧化二氮/聯氨(胺)接觸即燃、可常溫貯存、比衝中等偏下,價效比適中。但是劇毒且也極其昂貴,不能因為單純追求簡單和可靠性而不更新換代,總體上必須要淘汰掉的。

    3.液氧煤油是現在第一價效比,但煤油的質量要求極高,因為它的燃燒容易積碳結焦。蘇聯時代弄了很多,那也得益於巴庫油田產的上等石油。但總體上阻礙火箭多次回收使用。SpaceX的優勢在於發動機也簡單,稍微清理即可,但那是9個小型墨林發動機一起推,再往後單個發動機做大推力的話還是有必要進一步升級。總體上,一次性火箭和小火箭時代很好用,如今顯然要改進;

    4.液氧液氫比衝最高,但發動機設計難度太大,貯存燃料箱難度也大(液氫超級佔地方,與液氧溫度差距大還要做隔熱),導致火箭又胖又貴,最理想的是用它在第二級甚至更高即可,最大限度利用它排名第一的超大比衝,這是它目前無法被任何燃料火箭直接取代的最大優點,一定會長期作為必備燃料。因而主力第一級能換個價效比更高的最好。

    比如說,史上第一(從1967至今)火箭土星五號的組合堪稱完美:一級液氧煤油做主力推出大氣,二級和三級液氧液氫快速幹活送更遠。

    而液氧甲烷火箭是介於液氧煤油和液氧液氫的又一個選擇,它的優點是

    1.比衝雖然依然跟液氧液氫沒得比,但略高於液氧煤油(365到380左右,液氧煤油355左右);

    2.完全沒有積碳結焦,維護很方便,發動機只要不燒壞基本無限用,是可回收火箭的最優選擇;

    3.液氧(-182)和甲烷(-162)的儲存溫度/沸點非常接近,難度遠低於液氧和液氫(-253),後者在火箭中的貯存是個極其棘手的問題;(但不如煤油)。

    4.液態甲烷密度為422千克/立方米,遠高於液氫的71千克/立方米,同等質量/能量燃料需求體積降低很多;(但不如煤油的840千克/立方米)。

    5.設計難度並不大,可以沿用液氧煤油發動機那一套成熟體系。難度也低於液氧液氫發動機,畢竟液氫密度低,燃燒時對發動機渦輪泵的轉速要求實在太高了;

    6.總體上,它的發動機難度略高於液氧煤油,但總體上比液氧液氫簡單,也很有可行性;

    7.燃料級液態甲烷的製備難度並不高,成本低於液氫生產線、火箭煤油生產線和昂貴的聯胺/固體燃料;

    (伊隆馬斯克的火星夢想重要組成部分就是甲烷在火星的原位生產,將二氧化碳和水變成甲烷和氧氣)

    8.從理論上講,適合人類星際探索時資源的原位利用。因為甲烷在其他星球上並不罕見,冥王星和土衛六泰坦上,那是深不見底的甲烷海啊。。。

    總體上講,液氧甲烷和液氧煤油在歷史上相比不相伯仲。

    但新時代而言,液氧甲烷有一定優勢,尤其是對多次複用價值。下一代人類火箭,必然往可回收方向發展,因而世界各國都在重點研發液氧甲烷火箭,國家隊方面,美中俄都在搞。

    商業航天方面

    目前世界上兩個頭部玩家藍色起源和SpaceX都在做一件相同的事情:開發液氧甲烷燃料火箭發動機。

    藍色起源家的BE-4發動機是個推力高達240噸的怪獸,計劃用在自己家的重型火箭新格倫上,這個火箭的近地軌道運載能力為45噸,也可以重複回收利用,是個可以和獵鷹重型火箭比肩的大個子。

    BE-4足以叫做世界第一液氧甲烷火箭,被業內各種看好。雖然進度稍慢,一直在做點火測試、計劃到2021年才能火箭首飛,但它早被波音/洛馬家的聯合發射同盟ULA預定為下一代主力火箭火神(Vulcan)的一級發動機。這個火箭近地軌道運力35噸,也是個大傢伙。

    美國國防部也很看好,給波音家的XS-1無人空天戰機合同就要求用BE-4作為主力發動機。

    第二個玩家就是SpaceX。

    他家的下一代火箭,不管是BFR還是ITS還是Starship,都比現在的獵鷹九號和獵鷹重型強很多,一個重要原因就在於將使用新研發的猛禽(Raptor)發動機。

    推力達到200噸級別,真空比衝在380水平,也非常了不得。

    可以說,伊隆馬斯克下一步“吹的所有牛皮”,就全靠著一臺/系列發動機了。

    中國商業航天也有玩家,最近聽說訊息某公司的80噸級液氧甲烷發動機基本完成裝配,未來可以慢慢試車測試了,也是了不起的成就。

    希望各個公司一切順利!

    (個人看法,僅供參考)

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