看过来，这款火箭不一般！

对于我国这样的看过来航天大国来说，每年都会有很多枚火箭成功发射 ，款火这已经成为我国航天领域的看过来“家常便饭”
。然而，款火在2023年7月12日成功发射的看过来朱雀二号遥二火箭却引起了人们的热议 。这到底是款火为什么呢 ？朱雀二号遥二运载火箭在我国酒泉卫星发射中心发射升空（图片来源：新华社）液氧甲烷火箭 ：各国航天的新尝试原来
，这是看过来世界上第一款将载荷成功送入预定轨道的液氧甲烷火箭。研制液氧甲烷火箭的款火国家可不止中国 ，其他大国也在紧锣密鼓地研制中
 。看过来例如
，款火今年上半年 ，看过来美国就有两家公司发射了两款液氧甲烷火箭，款火分别是看过来人族一号火箭和“星舰”
。“人族一号”液氧甲烷运载火箭（图片来源：光明网）只是款火 ，美国这两款火箭的看过来发射都没有获得成功。到这里
，你可能会产生这样的疑问：都已经有液氧煤油和液氧液氢火箭发动机了，为什么现在中美两国都要快马加鞭地研制液氧甲烷火箭发动机呢 ？如果液氧甲烷发动机这般好，那为什么一开始不去研制？或者数十年前
，在研制液氧液氢火箭发动机前，为什么不首先研制液氧甲烷发动机？液氧煤油与液氧液氢有何优势
？第二次世界大战时，德国的V-2火箭 ，其使用的是液氧乙醇作为推进剂，乙醇也就是我们常说的酒精。作为燃料，含水的酒精性能显然不行。二战后，各国开始研制新的液体推进剂。于是，液氧煤油和液氧液氢这两条路线便诞生了 ，这两条路线目前都获得了成功 。一种精炼的煤油“RP-1”，火箭燃料（图片来源 ：Maxhaot）之所以一开始选择煤油而不是甲烷
 ，是因为那时的煤油已经很常见  ，且使用量大 。而全球天然气的大规模使用，是最近几十年才有的事
 。从成本上来说，也必然选择煤油，而不是甲烷 。即使历史重新来过 ，科学家们也依然会选择煤油，而不是技术要求更高，且获取成本较大的液氧甲烷。于是，二战后到现在，液氧煤油和液氧液氢两种路线都得到了充分的发展
 。探索到两条合适的路线后
，人们也不必再去寻找其他路线了 。液氧甲烷 ：让回收火箭变得更容易既然液氧煤油与液氧液氢有着如此多的优势
，人们现在为什么还要上马液氧甲烷路线呢？因为人类对火箭发动机的要求大幅提高了 。之前 ，科学家们只要保证火箭发动机使用一次就好 ，成功使用一次后 ，火箭发动机怎样都可以，反正都是掉在地上或者掉入大海 。但现在，人类希望火箭发动机能重复使用10次以上，甚至达到100次。此时，液氧煤油发动机就有点儿不太合适了 ，因为煤油燃烧时会在火箭发动机内部造成积碳结焦，继而为重复使用带来很大困难。当前，液氧煤油火箭在回收后必须对发动机进行彻底清洗才能继续使用
 。使用汽车发动机来展示积碳，当然，火箭发动机积碳不可能这么严重（图片来源 ：KINGKAR）液氧甲烷却不同，它是强挥发性燃料。使用后，这种燃料在火箭发动机上的残留物极为稀少  ，这为可回收火箭减轻了很大的后勤维护工作量。火箭发动机工作时 ，燃气温度最大时可超过3300摄氏度
，这超过了绝大多数金属材料的熔点 。为避免发动机高温受损，需要对火箭发动机进行冷却 。冷却方法多种多样 ，目前的主流方法是“再生冷却”
，就是使用燃料冷却。液氧温度在零下183摄氏度左右
 ，看似超低温，最适合作为冷却剂，然而由于氧的高度活性，它极容易与金属或者组成火箭发动机的其他材料发生反应。所以 ，人们一般不使用液氧作为冷却剂 ，而是使用燃料作为冷却剂
。具体来说就是一部分燃料先到发动机喷管周围走一个来回，这必然会带走巨量的热量 ，从而起到了给火箭发动机冷却的效果 。“天鹊”80吨液氧甲烷发动机（图片来源：人民网）常温煤油和液态甲烷比起来，必然是后者更好，因为其是零下162摄氏度左右的低温
，冷却效果立马提升3倍以上
。也就是说，为了让火箭能重复使用 ，需要对其进行最高效率的冷却  ，而在冷却上，液氧甲烷的效果比液氧煤油要好得多
。液氧液氢 ：为什么不选我 ？通过以上分析，我们知道了，液氧煤油容易积碳结焦，而液氧甲烷却不会。但问题又来了 ，液氧液氢也不会积碳结焦呀 
，为什么不用液氧液氢呢
？而且再生冷却时，液氢温度更低，冷却效果岂不是比液态甲烷更好？没错，以上说法都是说得通的
，但是液氢实际上存在着很多难以克服的问题 。其中一个问题是：跟液氧甲烷比起来，液氢的密度太低了 ，结果就是体积太大 。另一个问题就是液氢的温度实在是太低了，零下252.8摄氏度，处理这么低的温度，难度太大，继而成本很高 。航天飞机下那个棕色大箱子 ，名叫外储箱
。里面占据绝大部分体积的是液氢（图片来源：NASA）不仅如此 ，液氧温度只有零下183摄氏度左右 ，而液氢是零下252.8摄氏度，两者温度相差了大约70摄氏度。所以，火箭上储存液氧和液氢的两个箱子需要做好隔绝措施
，否则液氢可能会把液氧冻成固体 。如果使用液氧煤油
，也需要做好隔离
，否则液氧也会把煤油冻成固体 
。此时，就能体现液氧甲烷的优越性了，因为其跟液氧温度相近 ，不用担心谁把谁冻成固体的问题。于是，本来是两个分离开来的箱子 ，一个装液氧，一个装煤油。但现在做成一个大箱子即可，只要在这个大箱子的中间多出一块隔板，一边装着液态氧，另一边装着液态甲烷，这种结构就叫作“共底储箱” 。毫无疑问，共底储箱能有效降低储箱重量
，并缩短储箱长度，继而减少火箭重量，增强运载能力
。到这里谜底全部揭开 ，相比于液氧煤油和液氧液氢，液氧甲烷着实优点多多 。随着各个国家对于火箭要求的日益提高，研制液氧甲烷发动机也逐渐成为了航天科研领域的一大重点  。出品 ：科普中国作者：寒木钓萌（科普创作者）监制：中国科普博览