“朱雀二号”飞天

章江

突破多项技术

2023年12月9日，“朱雀二号”遥三运载火箭（以下简称“朱雀二号”）在酒泉卫星发射中心发射升空，将3颗卫星顺利送入预定轨道。“朱雀二号”由此成为全球首枚成功将有效载荷送入指定轨道的液氧甲烷火箭。

“朱雀二号”是一款中型液体运载火箭，火箭总长为49.5米，起飞推力268吨。它的动力来自液氧甲烷发动机，其中一级发动机采用4台“天鹊”80吨液氧甲烷发动机并联，二级发动机则采用单台液氧甲烷发动机。

“朱雀二号”可以将1.5吨重的航天器送入距离地球500千米的太阳同步轨道，后续改进型可将运载能力提高到4吨，满足近地轨道卫星部署和空间运输飞船的发射需求。

“朱雀二号”通过优化系统架构、创新材料体系和制造工艺、重构动力系统以及实现无塔架自动化发射等一系列创新，实现环保、经济、快速响应、可复用、可量产等目标，取得了多项技术突破。比如，它使用的是国内首台可重复使用液氧甲烷发动机，实现80吨发动机实际运用，燃烧技术、推力室燃烧效率等均达到国际一流水平。

提高航天实力

火箭推进剂从类型上分为固体、液体和混合型，目前常见的火箭液体推进剂主要有液氧煤油、液氢液氧和液氧甲烷等。

液氧煤油发动机采用液氧和煤油作为推进剂，在运载火箭发展史上具有重要地位。煤油属于绿色环保、经济性强的推进剂，燃烧产物为水蒸气和二氧化碳，无毒无污染，是综合性能优秀的推进剂，已成为世界航天动力的主力。

从20世纪80年代起，我国开始研究液氧煤油发动机技术，是世界第二个完全掌握液氧煤油高压补燃循环发动机技术的国家。液氧煤油发动机作为运载火箭的主动力装置，在国家重大航天运载项目、商业航天运输系统、重复使用运载器领域占有非常重要的位置，是实现航天强国的重要保障之一。

液氧液氢发动机采用液氧和液氢作为推进剂。液氢是化学推进剂中能量最高的燃料，采用液氧液氢作为推进剂的发动机，燃烧效率比常规发动机高40%～50%。其燃烧产物为水蒸气，清洁无污染。液氢与液氧易点火，燃烧稳定且效率高，适宜各种动力循环方案，有利于发动机方案优化与可靠性设计。

液氧液氢发动机能显著提高火箭的运输能力，在航天运载领域占有重要位置，是衡量国家航天实力的重要标志之一。

目前我国的“长征五号”等新一代运载火箭的发动机都采用液氢液氧作为燃料，而研发中的泵压式液体火箭发动机将支撑起更多重大航天任务的实施，包括载人登月、深空探测、天地往返重复使用运输系统等。

代表发展方向

既然有了液氧煤油发动机和液氢液氧发动机，为什么还要发展液氧甲烷发动机呢？这就涉及到两大主流推进剂的缺点。

火箭用的煤油属于精炼石油，含碳量高，燃烧后释放的主要是二氧化碳。含碳少的汽油燃烧会在发动机里产生积碳，煤油的积碳问题更严重，所以每次飞行结束都得仔细清理，又累又费事，而且积碳可能堵塞喷注器。另外，煤油是常温燃料，和液氧等低温液体同时储存极不方便，需要有特殊的隔热层，这会给火箭增加制造成本和质量。总之，煤油不适合可多次使用的火箭发动机。

再看液氢液氧发动机。这种燃料本身温度极低，而多数材料在低温下都会变脆，氢气在一定压力下很容易进入金属内部破坏金属结构。同时，氢气在氧气中燃烧温度特别高，多数材料也都难以耐受。这样一来，发动机就得面对冰火两重天的复杂热力环境，很容易发生故障。在航天史上，液氢液氧发动机出现故障和爆炸的频率最高，所以不适合多次重复使用。

相对于这两种推进剂，液氧甲烷推进剂具有多种优势：推进效率高，燃烧无积碳，点火机构设计更容易，便于发动机回收复用，非常适合可重复使用的火箭或飞行器；甲烷与液氧的沸点也相差不多，贮箱间的隔热需求大幅下降，减轻了结构质量；液氧甲烷推进剂可以从天然气、油田气、可燃冰等中分离，来源广泛，价格便宜，能够进一步降低火箭的成本。

不同轨道的多星布轨，需要在轨具备多次启动的功能。液氧甲烷火箭发动机在此方面可谓一枝独秀，因为它只需通过阀门控制推进剂流动，就能控制发动机，快速完成再次启动任务。固体燃料发动机一旦启动，中途就很难停止燃烧，无法进行多次启动。

液氧甲烷火箭发动机以甲烷为推进剂，液氧为助燃剂，两者以一定的比例雾化后进入燃烧室，最终能够释放巨大的推动力。这种发动机优点突出，具备无毒环保、高可靠、高性能、低成本、易操作，以及可重复使用等特点，代表了航天主动力技术的发展方向。

“天鹊”发动机是目前中国推力最大的双低温液体火箭发动机，也是继美国SpaceX的猛禽发动机、蓝色起源的BE-4发动机之后，世界第三台完成全系统试车考核的大推力液氧甲烷火箭发动机。

随着“朱雀二号”顺利完成任务，相信我国的航天推进剂技术研发会更加完善、更加强大。