在人類製造的所有機器中，運載火箭可能是運轉起來最震撼人心的。火箭發動機點火之後，瞬間噴發出熾熱的火焰，發出雷鳴般的巨響，讓方圓數公里之內的大地都為之顫動。事實上，在人類學會如何用火之後，火箭發動機的發明大概是我們玩火的極致。

一：火箭的起源和核心火箭的起源

利用火箭探索宇宙，在很久以前就是人類的夢想。傳說人類最早的飛天嘗試發生在中國，明朝的萬戶（“萬戶”為官職）把 47 個自制的火箭綁在椅子上，自己坐在椅子上，雙手舉著大風箏，想利用火箭的推力，飛上天空，然後利用風箏平穩著陸。不幸火箭爆炸，萬戶也為此獻出了生命。

真正的近代火箭的出現是在第二次世界大戰時的德國。1942年10月3日，德國首次成功地發射了人類歷史上第一枚彈道導彈——V-2，V-2是單級液體火箭，全長14米，質量為13噸，飛行高度85公里，飛行距離190公里，其動力系統選用液氧/酒精液體火箭發動機，推力可達26.5噸。V2火箭的發射成功，把航天先驅者的理論變成現實，是現代火箭技術發展史的重要一頁。

火箭的核心

火箭的核心關鍵是發動機，火箭發動機就是利用衝量原理，自帶推進劑、不依賴外界空氣的噴氣發動機。基本原理是燃料在火箭發動機內轉化為工質（工作介質）的動能，形成高速射流排出而產生動力。絕大多數運載工具的核心均是發動機，但相對汽車輪船發動機，火箭發動機的應用難度有其特殊性。因為，航天領域對推力與爆發力的特殊需求，是別的工程領域很難見到的。

世界上最大的火箭是1969年阿波羅登月所使用的火箭土星五號，其高達111米，比自由女神像高18米；起飛全重達3000噸，大約是1700輛奧迪A6汽車的重量。想驅動這麼一個龐然大物，自然對發動機有著極高的要求。

土星五號的一級火箭由5臺巨大的F-1液氧煤油發動機組成，F-1液氧煤油發動機是世界上推力最強的單燃燒室發動機，每臺F-1發動機可輸出約680噸推力，而其乾重只有8.3噸。

F-1液氧煤油發動機每秒都消耗1789 kg液氧和788 kg煤油。整個土星五號每秒的推進劑流量可達12710升，在8.9秒內清空一個容量11萬升的游泳池。

實際上，僅僅推力強、爆發力強還不夠，火箭發動機必須經得起高溫和低溫的考驗，還要承受住高強度的流量衝擊。

最重要的，發動機還一定要有絕對的穩定性，一枚火箭動輒造價數億元，加上搭載的昂貴航天器，一旦失敗必定損失慘重。

二：火箭發動機種類

發展航天，動力先行。如果說火箭承載的是夸父逐日的夢想，那麼發動機就是夸父的雙腿。現代科技讓人們擁有了自遠古以來便無比憧憬的一飛沖天的能力，這種能力的背後推動者是各式各樣的火箭發動機。

火箭發動機按燃料可以分為化學火箭發動機、核火箭發動機、電火箭發動機等。化學火箭發動機是目前技術最成熟，應用最廣泛的發動機，其按推進劑的物態又分為液體火箭發動機、固體火箭發動機和混合推進劑火箭發動機。電火箭發動機的技術成熟度也很高，主要用於空間推進領域。核火箭發動機的樣機在上世紀七八十年代已經研製成功，但因各種原因尚未成功上天。

固體發動機

固體火箭發動機是使用固體推進劑的化學火箭發動機。固體推進劑有聚氨酯、聚丁二烯、端羥基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。固體火箭發動機由藥柱、燃燒室、噴管元件和點火裝置等組成。藥柱是由推進劑與少量新增劑製成的中空圓柱體（中空部分為燃燒面，其橫截面形狀有圓形、星形等）。藥柱置於燃燒室（一般即為發動機殼體）中。在推進劑燃燒時，燃燒室須承受3000℃左右的高溫和100bar以上的高壓，所以燃燒室須用高強度合金鋼、鈦合金或複合材料製造，並在藥柱與燃燒內壁間裝備隔熱襯。

固態火箭發動機的燃料是直接安裝在火箭的尾部，發射時利用點火器引發燃料燃燒，產生推力推送火箭。因為固態火箭燃料不需要額外的燃料槽，也不需要輸送或加壓的管線，在構造上固體火箭發動機比液態火箭發動機要簡單許多，重量也比較輕。

因為固態火箭發動機的燃料的量與型態是固定的，要透過調整燃料與氧化劑的量來控制推力非常困難，燃料一但開始作用，若是中斷燃燒的過程，很難重新點燃，因此固態火箭發動機主要用於推力需求較為固定，一經啟動就不需要停止的設計上面。在設計上需要依靠精確的形狀和燃料顆粒來控制燃燒的速度和產生的推力。

與液體火箭發動機相比，固體火箭發動機具有結構簡單、成本低、推進劑密度大、推進劑可以儲存常備待用和操縱方便可靠等優點。缺點是“比衝”小，固體火箭發動機比衝通常在250—300 秒，工作時間短，加速度大導致推力不易控制，重複啟動困難。

ps：火箭發動機最重要的評價指標之一是比衝，可以理解為每單位推進劑所產生的衝量。如果用重量描述推進劑的量，比衝擁有時間量綱，國際單位為秒（s）；如果用質量描述推進劑的量，比衝以速度量綱表現，國際單位為米每秒（m/s）。比衝越高意味著相同質量的燃料火箭能獲得更多動量。

液體發動機

液體火箭發動機是指液體推進劑的化學火箭發動機。常用的液體氧化劑有液氧、四氧化二氮等，燃燒劑包括液氫、偏二甲肼、煤油、酒精、甲烷等，氧化劑和燃燒劑必須儲存在不同的儲箱中。

液體火箭發動機一般由推力室、推進劑供應系統、發動機控制系統組成。推力室是將液體推進劑的化學能轉變成推進力的重要元件，由推進劑噴嘴、燃燒室、噴管元件等組成。推進劑透過噴注器注入燃燒室，經霧化、蒸發、混合和燃燒等過程生成燃燒產物，以高速從噴管中衝出而產生推力。燃燒室內壓力可達200大氣壓（約202.65 bar）、溫度3000—4000 ℃，故需要冷卻。推進劑供應系統的功用是按要求的流量和壓力向燃燒室輸送推進劑。

液體火箭發動機的優點是比衝高，推力範圍大、能反覆起動、能控制推力大小、工作時間較長等。（下文將進行詳細講解）

電火箭發動機

電火箭發動機是利用電能加速工質，形成高速射流而產生推力的火箭發動機。與化學火箭發動機不同，這種發動機的能源和工質是分開的。電能由飛行器提供，一般由太陽能、核能、化學能經轉換裝置得到。工質有氫、氮、氬、汞、銫、氨、氪等氣體。

電火箭發動機由電源、電源交換器、電源調節器、工質供應系統和電推力器組成。電源和電源交換器供給電能；電源調節器的功用是按預定程式起動發動機，並不斷調整電推力器的各種引數，使發動機始終處於規定的工作狀態；工質供應系統則是貯存工質和輸送工質；電推力器的作用是將電能轉換成工質的動能，使其產生高速噴氣流而產生推力。

電火箭發動機具有極高的比衝（700—3000秒）、極長的壽命（可重複起動上萬次、累計工作可達上萬小時）。

核火箭發動機

核火箭發動機用核物質作能源，用液氫、液氦、液氨等作為工質，發展較為成熟的是核熱火箭發動機。核火箭發動機由裝在推力室中的核反應堆、冷卻噴管、工質輸送系統和控制系統等組成。在核反應堆中，核能轉變成熱能以加熱工質，被加熱的工質經噴管膨脹加速後從噴口排出而產生推力。

早在上世紀中葉，美國和前蘇聯就開始研製核動力火箭，均有相關樣品問世，但由於多種因素影響，尚未成功上天。美國製定了Rover專案和NERVA專案，研製了NRX-XE核火箭發動機，真空比衝820秒；前蘇聯研製了推力3.5噸的RD-0410和70噸的RD-0411兩種核火箭發動機，RD-0410真空比衝達到910秒。

核火箭發動機的比衝高（250—1000秒），壽命長，但技術複雜，只適用於長期工作的航天器，同時還存在核輻射防護、排氣汙染、反應堆控制，以及高效熱能交換器的設計等問題未能解決。

三：主流火箭發動機優劣勢分析

現在火箭普遍使用的主力燃料有四種：固體燃料、偏二甲肼/四氧化二氮、液氧煤油和液氫液氧。

主力燃料對比

對於這四種主流燃料而言，各有優缺點：

1.固體燃料適用於提供短期大推力（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.偏二甲肼/四氧化二氮是有毒燃料，因為很易燃燒，發動機設計起來相對簡單，而且能夠在常溫狀態下比較方便地管理和貯存，因此較早被採用。其比衝中等偏下，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。

上圖中，試管裡面是“冰鎮”的火箭氧化劑四氧化二氮氣，這是一種沸點只有23.3℃的棕紅色液體（具有強腐蝕性），在滴入偏二甲肼後立刻燃燒釋放大量氣體併產生大量熱量

3.液氧煤油是現在價效比最高的燃料，但對煤油的質量要求極高，因其燃燒容易積碳結焦，不利於火箭發動機的重複使用。

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。

液氧甲烷發動機

液氧甲烷火箭發動機是介於液氧煤油和液氧液氫的之間的一個選擇，它的真正優勢在1986年被世人所知，美國的火箭工程師們總結了6年來對液氧甲烷和液氧乙烷、液氧丙烷、液氧煤油、液氧液氫這5種液體推進劑的試驗結果，得出了以下結論：

1.液氧甲烷發動機是所有烴類燃料組合中，最不容易結焦的；

2.甲烷的粘度小，冷卻效能遠高於煤油；

3.液氧甲烷發動機的理論比衝為390.3秒，高於液氧煤油的377.5秒；

4.液氧甲烷發動機是所有烴類組合中，最不容易積碳的。

雖然液氧甲烷發動機的優點很多，但當時美國已經掌握了大推力液氫液氧火箭發動機與固體助推器組合的技術，前蘇聯則把液氧煤油發動機的效能發揮到了極致，所以雙方都沒有足夠的動力再去研製液氧甲烷發動機來替代當時已經足夠好用的發動機了。

四：液氧甲烷火箭發動機 - 太空探索的未來動力

隨著商業航天的發展，可重複使用火箭的概念日益深入人心，可以說實現可重複使用運載火箭是商業航天發展的必然，商業航天的競爭最終是價格的競爭，航天器進入太空的成本是商業航天活動成本中很大的一塊。在運載火箭的發射費用中，火箭推進劑的成本通常佔比較小，發射成本主要是火箭發動機等技術含量高的部件。（火箭燃料在重量上雖然佔火箭的90%以上，但成本通常不到火箭發射總成本的1%，而SpaceX曾經在核算的時候，給出了0.4%的佔比）

如果能夠實現運載火箭的可重複使用，每次飛行之後只需要像飛機那樣重新加滿油就再次飛上藍天，就能夠顯著降低航天發射的總成本。

液氧甲烷與可重複使用

隨著SpaceX公司的火箭可重複使用技術的成功實現及不斷突破，液體火箭發動機的單次任務可多次啟動和可在多次任務中使用的效能成為了火箭工程師追求的目標。

總體上講，液氧甲烷和液氧煤油在歷史上相比不相伯仲，但液氧甲烷在可重複使用上有一定優勢，因而世界頭部商業運載火箭企業都在重點研發液氧甲烷火箭。

液氧甲烷與深空探索

從理論上講，液氧甲烷發動機更加適合人類深空探索時資源的原位利用。在火星和土衛六上，存在生產提煉甲烷的可能，這為今後邁入深空的先驅者能夠乘坐火箭返回地球提供了條件。

此外，奔向月球和火星或者更遠地方的深空探測器，需要其推進劑能夠在火箭內部可靠貯存數天甚至數月。煤油容易凍住，液氫則過於活潑，總會想法設法跑掉。而甲烷的沸點為-161 °C，液氧的沸點為-183℃，二者比較接近，在深空探測任務中，可以更加方便地用類似的甚至相同的系統來統一進行管理。

液氧甲烷發動機

對於液氧甲烷發動機，中美俄三個航天大國的國家隊都在進行研究探索，而商業航天的頭部企業也有在大力開發相關產品。

SpaceX公司

猛禽液氧甲烷發動機

首先是著名的SpaceX公司，其猛禽液氧甲烷發動機專案從2009年立項，到2015年，研製成功出廠。2016年9月25日，在美國德克薩斯州，猛禽液氧甲烷火箭發動機首次點火成功。這款海平面比衝330秒，真空比衝375秒，真空推力高達1900千牛（是現役梅林1D液氧煤油發動機最大推力的2.08倍）的發動機將會成為SpaceX公司星際航行任務的動力來源。

藍色起源公司

BE-4液氧甲烷發動機

世界首富貝索斯創辦的藍色起源正在開發BE-4液氧甲烷發動機，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，可重複利用，是個可以和獵鷹重型火箭比肩的大個子。雖然BE-4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。

宇航推進“滄龍一號”

2019年11月，宇航推進完成了“滄龍一號”60噸液氧甲烷發動機推力室點火試驗，試驗資料滿足設計要求，試驗取得圓滿成功。推力室是液體火箭發動機的核心裝置，是發動機將推進劑的化學能轉換為高溫高壓燃氣熱能，並進一步轉化為排氣動力的核心部件。

2020年，宇航推進自主研製的“滄龍一號”發動機全尺寸燃發器-渦輪泵聯試樣機完成裝配及交付，這標誌著“滄龍一號”發動機研製工作正式邁入系統級除錯和測試階段。

結語

星空浩瀚無比，探索永無止境，航天是一個美好而漫長的夢。從一枚枚火龍拔地而起、直上雲天，到航天技術一次次突破，奔向宇宙，中國一直在不斷實現和豐滿這個延續了千年的飛天夢想。

嫦娥探月、首探火星、建設空間站、深空探索......走向深空，踏夢遠行，星辰大海，從未止步。中國探索的距離越來越遠，航天技術也越來越成熟，我們也在不斷觸控未知的浩瀚星空中，感知科技與生命的魅力。

我們一起期待未來的深空探索！

參考文獻：

1、小火箭：液氧甲烷火箭發動機：太空探索的未來動力！

2、太空精釀的空間站：為什麼我們需要造液氧甲烷火箭？

3、航天愛好者：火箭發動機概論—離開地球的幾種方式

4、騰訊太空：SpaceX火箭回收又成功了 我們究竟在見證什麼？

5、三體引力波：“獵鷹重型”火箭商業首飛發射成功！實現三箭回收

6、小火箭：RD-170：世界上推力最大的液體火箭發動機

7、人航天愛好者：淺談“電子號”火箭的新型發動機迴圈方式

8、衛星與網路：技術流|中國為何還需俄製火箭發動機？

9、騰訊太空：俄媒：俄羅斯將售華RD180火箭發動機 中國迫切需要

10、中科院高能所：火箭發動機的比衝，是個什麼鬼？

12、前瞻產業研究院：2019年全球商業航天行業市場現狀及發展趨勢分析

13、環球網：藍箭航天朱雀二號完成控制系統與二級遊機發動機匹配性驗證

14、新華社：中國正研發更先進的火箭

15、NASA官網