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液氧甲烷火箭商业化之路还有多远

2024年01月29日 21:29:26 中国城市报孙雪霏

在全球航天竞技场上,一场技术革新正悄然上演。1月19日,蓝箭航天空间科技股份有限公司(以下简称“蓝箭航天”)自主研发的朱雀三号VTVL-1火箭,在我国酒泉卫星发射中心完成首次飞行试验。这枚可重复使用的垂直起降回收验证火箭,仅用约60秒便达到了350米的高度,并实现了精准着陆,是我国首款不锈钢液体运载火箭,以液氧甲烷为燃料。

当前,液氧甲烷凭借其在成本、环保性能及重复使用等方面的显著优势,正迅速成为全球航天行业的新焦点。面对未来大规模进出空间、航班化运输需求,我国液氧甲烷火箭要真正从研发走向产业化、商业化,前面的路还有多远?

我国民营商业航天崛起

液氧甲烷是指将液态氧和液态甲烷混合使用的燃料组合。在中国商业航天领域,液氧甲烷路线的主要代表是蓝箭航天。蓝箭航天自2015年成立以来,迅速崭露头角。2017年,公司开始研制“80吨级+10吨级”两型液氧甲烷发动机天鹊TQ-12和TQ-11,并于2019年成功试车。2023年7月12日,其朱雀二号遥二运载火箭发射升空,成为全球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭。2023年12月9日,朱雀二号遥三运载火箭在酒泉卫星发射中心再次成功发射,并第一次携带有效载荷,将搭载的三颗商业卫星送入预定轨道。

蓝箭航天介绍,朱雀二号采用两级构型,一级配置了四台TQ-12发动机并联,展示了企业在燃气发生器循环领域的强大实力。今年1月19日的飞行试验,验证了朱雀三号大型液氧甲烷可重复使用火箭垂直返回关键技术,朱雀三号使用的发动机为朱雀二号火箭同型改进的80吨级液氧甲烷发动机。该系列发动机地面试车验证累计时间接近10万秒,未来将应用于朱雀二号后续批次和朱雀三号运载火箭。

蓝箭航天方面表示,朱雀二号、朱雀三号连续成功发射并承担商业发射任务,意味着它们已经可以面对市场提供批量化火箭运载服务,公司计划到2026年达到12次发射的目标。

蓝箭航天火箭研发部总经理戴政在接受中国城市报记者采访时表示:“把液氧甲烷利用好是现阶段一个很关键的事情,我们设定的奋斗目标是低轨道运载成本降至每公斤4万至5万元。”

我国另一家专注于液氧甲烷发动机的商业公司九州云箭(北京)空间科技有限公司(以下简称“九州云箭”)成立于2017年10月。与蓝箭航天不同,九州云箭只聚焦于液氧甲烷发动机的开发,而不涉足整个火箭的制造,其初创团队基本来自“国家队”。

九州云箭创始合伙人刘洋在接受中国城市报记者采访时表示:“团队成员此前主要从事氢氧发动机的研发,这也属于一种双低温推进剂。”

刘洋介绍,九州云箭的主要产品包括两型液氧甲烷发动机:10吨级为凌云发动机,80吨级为龙云发动机。九州云箭发动机的三大特色是具有多次启动性能、大范围推力调节能力和多机并联能力。多次启动性能可让火箭实现回收,大范围推力调节则有助于火箭在着陆时精准“刹车”和平稳降落,这些都是可重复使用火箭必须具备的关键性能,“我们的目标是开发出可回收、可重复使用的发动机,以支撑火箭满足未来的应用场景。”

据悉,龙云发动机即将进入批量交付阶段,预计今年的交付量将达到15至20台,订单既来自商业公司也来自“国家队”。生产基地目前的产能可达到每年30至50台,未来还会继续扩大。

当前,蓝箭航天和九州云箭的发动机都在80吨级,循环方式均为燃气发生器循环,技术层面上离美国太空探索技术公司(SpaceX)研发的液氧甲烷火箭“星舰”还有差距。对此,蓝箭航天创始人、董事长兼CEO张昌武指出:“中国商业航天与SpaceX之间的差距是十年起的,我们可以慢慢去缩短,但SpaceX也不会停下来等我们”。

值得注意的是,两家公司还有一个共同点,即都拥有自己的试车台。蓝箭航天于2018年在浙江省湖州市建立百吨级整机试车台,九州云箭则于2020年在安徽省蚌埠市建成测试基地,包括百吨级发动机试车台。刘洋表示:“这为后续发动机顺利迭代、积累可靠性及交付订单打下了一个非常坚实的基础。”

液氧甲烷成为新宠

在商业航天领域,亚马逊创始人杰夫·贝索斯创立的航天公司蓝色起源被视为SpaceX最大竞争对手。这种竞争关系在液氧甲烷发动机的研发上尤为明显。2011年,蓝色起源开始研发BE-4发动机时,选中液氧甲烷为推进剂。2012年,SpaceX宣布“猛禽”发动机放弃最初讨论的液氧液氢,也转而采用了液氧甲烷。这两家航天巨头的选择,无疑进一步推动了液氧甲烷在商业航天领域的发展。

今年1月8日,美国联合发射联盟(ULA)的“火神—半人马座”(VulcanCentaur)火箭,搭载“游隼”月球探测器升空。但因“游隼”发动机故障,未能完成登月目标。这枚两级重型运载火箭的亮点是,一级装备了两台蓝色起源公司研发的BE-4发动机,采用液氧甲烷作为燃料,海平面推力高达240吨,甚至略超过SpaceX现役的“猛禽”发动机。

过去一年,SpaceX表现格外抢眼,共发射了96枚火箭,占据全球年度发射总量的45%。尽管旗下最强火箭“星舰”两次试飞均告失败,但仍赚足了眼球,“星舰”采用的便是液氧甲烷燃料。刘洋评论道,SpaceX的研发思路是“以飞代试”,通过真实的飞行环境去验证各个组合件的工作匹配性和整体设计的合理性,从而“大胆地用整系统级别的飞行来做迭代”。

张昌武指出,展望未来五年,中国乃至全球所有商业火箭推进剂的首选都将是液氧甲烷。

早在1931年,德国研发的欧洲首枚液体燃料火箭就选用了液氧甲烷,但因实用性差而被弃用。随后,航天领域对液氧煤油、液氧液氢等燃料的偏好一度使液氧甲烷处于不被重视的地位。液氧煤油以安全、易存储著称,被广泛用于一次性使用火箭中。液氧液氢虽有泄漏问题,但其以超过460秒的理论比冲而备受青睐。比冲是衡量火箭动力的重要参数,比冲值越大,动力性能越好。

液氧甲烷的理论比冲约390秒,介于两者之间。其作为低温推进剂,存储与输送难度不亚于液氧液氢,因而长期未受重视。但随着SpaceX的“猎鹰9号”火箭成功回收,以及商业航天对成本的日益重视,液氧甲烷的优势开始显现。

记者了解到,“猎鹰9号”使用的梅林发动机和液氧煤油推进剂虽然安全可靠,但积碳的产生使得火箭回收后的清洁工作复杂且成本高昂。相比之下,液氧甲烷燃烧几乎无积碳,维护更简便,延长了发动机使用寿命,同时可降低重复使用成本。此外,由于民用液化天然气(LNG)的大规模应用,甲烷的价格低廉、供给充分,成本远低于煤油和液氢,进一步提高了其在商业航天领域的吸引力。

对标模范生“星舰”

近年来,在全球航天领域最引人注目的当属SpaceX公司研发的液氧甲烷火箭“星舰”。自2023年4月20日首次试飞以来,“星舰”遭遇了多项挑战,包括三台发动机未能启动和助推器未成功分离,最终导致爆炸。同年11月18日,经过全面的技术调整,“星舰”进行了第二次试飞,尽管同样未能成功,仍被业内专家视为重要进展。

从设计规格上看,“星舰”已然处于领先地位。这款超大型两级火箭高约120米,直径9米,首级助推器“超重(SuperHeavy)”高约69米,配备33台“猛禽”发动机,燃料装载量约3400吨;而第二级狭义上的“星舰”航天器高约50米,燃料装载量1200吨,能够搭载宇航员或货物,近地轨道有效负载能力高达100吨至150吨。

值得注意的是,液氧甲烷发动机的性能主要由其动力循环方式决定,分为燃气发生器循环、富氧气或富燃气的补燃循环、全流量补燃循环等,技术难度由低至高。SpaceX的“猛禽”发动机采用了最先进的全流量补燃循环,蓝色起源的BE-4采用的是富氧气补燃循环,中国的朱雀二号天鹊TQ-12发动机则使用燃气发生器循环。

全流量补燃循环具有诸多优点,如高比冲、高燃烧效率和对涡轮泵密封要求低,然而因系统复杂、研制难度大,目前仅“猛禽”发动机取得了成功。

张昌武在讨论将液氧甲烷作为中国未来商业火箭推进剂研发方向时指出,蓝箭航天将适时启动研制对标“猛禽”的200吨级全流量补燃发动机,预期到2028年“拿出来”。

刘洋则表示,全流量补燃发动机虽然是九州云箭下一步的攻关方向,但由于难度较大,不好准确预测进展时间,“可能需要3到5年的时间”。

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责任编辑:乔妙妙

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