利刃/縱橫論
我們可以暢想在未來的某一天,人類可以自由地往返于地球和太空之間,在太空建立新的家園,雖然這一天目前看來還十分遙遠,但是科技的不斷進步必然使得這一天到來。要實現這樣的夢想,有許多步驟要一步步地完成,其中之一就是要擁有成熟、可靠且價格可以接受的商用火箭。如果每一次送上太空都需要耗費巨資,運力還不怎么大的話,要建立太空家園可就非常難辦了。為了順應人類探索太空的夢想,科學家們不斷地探討如何建造更加先進的火箭,在一系列的技術論證之后,液氧甲烷火箭發動機成為了人類的首選。
目前,人類航天火箭主流使用液氧液氫火箭發動機,液氫的密度低,同樣的燃料載重可以攜帶更多的液氫,同時液氫火箭發動機的比沖也很高。相比起來,液氧甲烷火箭發動機的比沖不足,且液氧甲烷的密度比液氧液氫實在高了太多,會占用火箭寶貴的運力。不過,即使存在這些缺點,人類未來商用火箭恐怕還是得依靠液氧甲烷火箭發動機。
原因在于,甲烷的在價格上有很大優勢:甲烷的價格約為5元/千克,而液氫的價格則為300元/千克。同時,液氧液氫發動機和液氧甲烷火箭發動機,是唯二的兩種使用后不會造成積焦或積炭問題的發動機,這兩款是重復使用火箭的主要選項,這樣一來就只能二選一,選擇價格較低的液氧甲烷火箭發動機是可以理解的。放眼目前的國際市場,中國和美國占據了液氧甲烷火箭發動機的龍頭,但美國的優勢確實巨大。
首先,排名的第一的是美國SpaceX公司的猛禽液氧甲烷火箭發動機,聽名字就看得出其技術水平應該不會低。猛禽液氧甲烷火箭發動機掌握了全流量分級燃燒技術,發動機的主燃燒室中富氧燃氣和富燃燃氣互相碰撞,可以使得推進劑的燃燒效率最大化。這種設計的技術要求非常高,如何保證發動機的穩定性是一個巨大的難題。不過最終,猛禽液氧甲烷火箭發動機雖然沒有達到希望的310噸推力,但其實際推力200噸,仍然是世界第一的存在。而除去SpaceX之外,亞馬遜公司下屬的藍色起源公司推出自己的BE-4液氧甲烷火箭發動機,這種發動機的理論上最高可以提供240噸級的推力,也是可以重復使用的火箭發動機,如果未來猛禽發動機不能達到理想設計,那么世界第一的寶座將被這種火箭占據。
除去美國的這兩款先進火箭發動機之外,同為世界航天大國的中國也有自己的液氧甲烷火箭發動機產品,那就是TQ-12"天鵲"。這款火箭發動機是繼上述兩款美國產品之后,第三款完成了全系統測試考核的大推力液氧甲烷火箭發動機,它在2019年5月17日試車成功,是非常新的產品。這款發動機同樣具備可重復使用、低成本、高性能等優點,其地面推力約67噸,真空推力約80噸,屬于重型火箭發動機行列。雖然比起美國最新產品還有差距,但它為我國積累這方面的技術打下了堅實的基礎。值得一提的是,現在推力最大的發動機為俄羅斯RD-180發動機,但其難以重復使用,因此并不是未來民用航天的首選。


