微信号：小火箭
微信ID：ixiaohuojian
小火箭出品
本文作者：邢强博士
本文共6465字，52图。预计阅读时间：35分钟。
本文是小火箭液体火箭发动机系列文章第1季的第8篇，也是本季的终结篇。在本季开篇《V-2导弹：现代弹道导弹和运载火箭的鼻祖》，小火箭讲述了V-2弹道导弹的发动机技术。
作为人类弹道导弹的开山之作，V-2导弹使用了3.81吨的酒精（严格来说，是3.81吨75%的酒精与25%的水的混合物）为燃料，氧化剂则为4.91吨的液氧。
在第2篇《跌宕起伏！法国的导弹与火箭工业是如何起步的？》中，小火箭讲述了公元1965年11月26日，协调世界时上午9点52分，钻石A型火箭搭载着阿斯特克斯升空前后的诸多往事。介绍了偏二甲肼/四氧化二氮燃料常温液体推进剂。
在第3篇《井与肼的魅惑：大力神2号洲际弹道导弹》中，小火箭以美国洲际弹道导弹为案例，详细分析了混肼50燃料。
在第4篇和第5篇《RD-170：世界上推力最大的液体火箭发动机》和《F-1:史上最强的单燃烧室液体火箭发动机》中，小火箭分别介绍了苏联和美国有史以来最强的液体火箭发动机。这两款液氧煤油火箭发动机给我们留下了深刻印象，同时也在小火箭技术讨论沙龙活动中，对煤油的含硫量以及大型火箭发动机燃烧稳定性的问题进行了深入探讨。
在本季第6篇《液态氢，一匹桀骜不驯的野马》中，小火箭与大家详细分析了液氢液氧火箭推进剂的诸多技术要点。本季第7篇《大地导弹：印度第一款近程弹道导弹》中，小火箭给出了液体火箭燃料的一个比较罕见的燃料配方：50%的二甲代苯胺与50%的三乙胺混合之后的产物。
本篇，是跨越整整16个月的小火箭液体火箭发动机系列第1季文章的完结篇。既然是完结篇，那么一定是要以一种能够在未来的导弹或者运载火箭上发挥重要作用的液体火箭发动机来压轴了。
没错！小火箭要说的，就是液氧甲烷火箭发动机。
本文，小火箭将与大家共同探讨如下几个问题：
甲烷的发现及其与火箭发动机的缘分；
液氧甲烷发动机的技术特点；
未来太空探索活动对液氧甲烷发动机的3大促进要素；
美国与中国的3家正在研制液氧甲烷火箭发动机的商业航天企业。
发现
亚历山德罗·伏打是意大利人的骄傲，当然也是人类伟大科学家之一。他因发明了电池而举世闻名，并受封为伯爵。电磁学中的电压单位伏特就是为纪念伏打伯爵本人而命名的。
这位当年向拿破仑当面展示了电池技术的伏打伯爵被意大利人所铭记，成为了10000意大利里拉纸币上的肖像人物，可以说真的是厉害了。
而实际上，1801年伏打伯爵向世人公开他发明的电堆（电池的雏形）这项功绩产生的光芒过于耀眼，使得人们往往会忽视伏打在之前的一个重要的发现。
1776年11月，伏打在马焦雷湖旁边发现了一种气体。由于他之前熟读了本杰明·富兰克林有关可燃空气的论文，这种气体立即引起了他的注意。
1778年，极具耐心与毅力的伏打成功地在湖边收集到的气体里分离出了甲烷。
随后，伏打用他的独门绝技：制造电火花，成功点燃了甲烷！
在熊熊燃烧的烈焰中，毫发无损的伏打伯爵与在暴风雨中放风筝来研究闪电性质的本杰明·富兰克林，这两位可以并称为18世纪两大著名身披免死光环的科学家了。
当然，最终还是富兰克林先生比较有名，毕竟他的肖像印在了100美元的纸币上。
伏打伯爵发现了甲烷，还顺便找到了点燃甲烷的最佳手段：电火花。
之后的事情，大家就都比较熟悉了。
以甲烷为主要成分的天然气成为了一种重要的能量来源，为人类文明的进步作出了巨大贡献。
每1立方米的标准天然气完全燃烧的话，可以产生38兆焦耳的能量（相当于10.6度电）。
如今，我们日常生活中已经很难离开甲烷了。
具体应用不再赘述，不过，小火箭要补充一点：
纯净的甲烷是无色无味的。我们平常闻到的天然气的奇特味道其实是为了让人能够感知到这种气体的存在而特意添加的。
通常来说，添加的成分是甲硫醇或乙硫醇。这些气体具有能够被人类非常敏锐地嗅到的烂白菜叶子的味道。实际上，人类的肠道排放出的气体中，就因为甲硫醇的存在而拥有了浓郁而又独特的“芬芳”。
优势
长期以来，人类的火箭工程师卯足了劲研究基于偏二甲肼/四氧化二氮、液氧煤油和液氢液氧这三类液体火箭推进剂的发动机。
偏二甲肼/四氧化二氮是有毒燃料，但是因为一接触就能燃烧，发动机设计起来相对简单，而且能够在常温状态下比较方便地管理和贮存，因此较早被采用。而液氧煤油尤其是液氢液氧组合属于低温推进剂，其技术门槛就高多了。
那么，有没有液氧甲烷的组合呢？
有的！
上世纪80年代，人类对于可重复使用运载器和单级入轨的概念研究进入高潮阶段。在比较科幻的HL-42空天飞行器的设计方案中，液氧甲烷发动机被用在了姿轨控系统中。
此时，选用液氧甲烷推进剂主要考虑的还是其易于地面人员进行处理和操作的优势。
而液氧甲烷发动机的真正优势终于被世人所知，是在1986年。
这一年，美国的火箭工程师们总结了6年来对液氧甲烷和液氧乙烷、液氧丙烷、液氧煤油、液氧液氢这5种液体推进剂的试验结果，得出了以下结论：
第一：液氧甲烷发动机是所有烃类燃料组合中，最不容易结焦的；
第二：甲烷的粘度小，冷却性能远高于煤油；
第三：液氧甲烷发动机的理论比冲为390.3秒，高于液氧煤油的377.5秒；
第四：液氧甲烷发动机是所有烃类组合中，最不容易积碳的。
工程师们这才意识到，液氧甲烷发动机有这么多优点！
但是，为什么没有没有在上世纪80年代开始大力发展液氧甲烷发动机呢？
答：主要是因为有些懒。
美国在上世纪80年代，大力发展出了航天飞机。航天飞机使用固体助推器+液氢液氧火箭发动机的组合，实现了一级半入轨和可重复使用的目的。
（受美国自身技术标准的限制，美国液氧煤油发动机的燃烧室压力始终不敢调得过大，严重限制了其液氧煤油发动机的性能。等到美国工程师意识到其实是美国的煤油里含硫量较高的问题时，已经为时已晚。详见小火箭的公号文章《RD-170：世界上推力最大的液体火箭发动机》，都怪他们没有了解为什么拜火教要以巴库油田为圣地吧！）
苏联则把液氧煤油火箭发动机的性能发展到了极致。RD-170和RD-180火箭发动机的燃烧室压力高达24.5MPa以上！要知道，美国土星5号火箭的F-1火箭发动机的燃烧室压力只有7MPa。
小火箭觉得有必要再说一下燃烧室压力的问题。
苏联人能够把压力调得这么高，一方面的确是超低硫含量的煤油帮了大忙。不过，后来他们发现了继续提升压力的方法。小火箭将我能想到的燃烧室压力提升的手段总结为5大因素，在这里写出来，以便大家交流。
第一，苏联有得天独厚的低硫含量的煤油。燃料好，结焦概率就会低。好的食材，对人和发动机，都很重要；
第二，苏联人的发动机冷却通道比美国人的粗糙。通过形成的湍流，可以让换热效率大幅提升；
第三，RD-170有巧妙的冷却环设计，可以形成超临界冷却液膜。这个可以由耶夫列夫方法推导进行验算；
第四，对高温合金和耐高温涂层的研究和成功应用，使得燃烧室本身有着超高的结构强度和热学性能；
第五，RD-170的加工工艺有独到之处。RD-170的设计团队分析了V-2火箭发动机（最大压力1.5MPa）的燃烧室结构，摸透了双层钢板套层结构，并彻底摒弃了那种过时的设计。他们分析了美国大力神导弹的发动机和F-1火箭发动机（最大压力为7MPa）的双锥管束加金属丝缠绕的结构，同时也回顾总结了苏联以前设计的发动机燃烧室结构。取长补短后，他们创造了升级版的铣槽加钎焊外壁的加工方法，使得燃烧室内壁的导热率大幅提升。
（实际上苏联工程师从RD-253火箭发动机开始就已经有了相当的造诣。）
美国掌握了大推力液氢液氧火箭发动机与固体助推器组合的技术，苏联则把液氧煤油发动机的效能发挥到了极致，虽然液氧甲烷发动机的优点很多，但双方都懒得再去研制液氧甲烷发动机来替代当时已经足够好用的发动机了。
这些设计理念值得想要发展大推力液氧煤油火箭发动机的团队进行借鉴。而同时，小火箭也不得不为那个戛然而止的RD-170火箭发动机感到遗憾。
时代
好东西，迟早会被越来越多的人发现，并且最终会得到她应有的一切。
液氧甲烷发动机也是这样的！
随着SpaceX公司的猎鹰9号火箭的第一级重复使用技术的成功实现，液体火箭发动机的单次任务可多次启动和可在多次任务中使用的性能成为了工程师追求的目标。
而虽然目前猎鹰9号火箭依然使用液氧煤油火箭发动机，但是实际上，液氧甲烷发动机是更好的选择。
1个甲烷分子里，只有1碳原子。这意味着甲烷在高温情况下不会像煤油那样发生裂解，（只有1个碳，根本就没有碳碳链）。
这就使得甲烷在高温情况下，很难结焦也很少有积碳。
试验数据表明，煤油的结焦极限温度为833℃，而甲烷的结焦极限温度高达1223℃！
在几十年的试验中，工程师们发现，品质再好的煤油，在1195℃的时候也会出现结焦，而在1306℃下，大量的结焦已经开始威胁到整台发动机的安全了。
因此，液氧煤油火箭发动机燃气发生器的最高温度被控制在1195℃以下。嗯，是的，即使是猎鹰9号火箭的梅林发动机也不能例外。
而如果换用甲烷的话，就没有这样的限制。因此，液氧甲烷发动机的燃气发生器的效率理论上可以达到95%以上。
而液氧煤油发动机因为有最高温度的限制，无法去极致地追求热力学的最优状态，其效率被锁死在80.5%以下。
（实际上，为了安全考虑，现役液氧煤油发动机的燃气发生器效率一般在70%左右，甚至有62%的现役型号，这里就不点名了。）
液体火箭发动机的涡轮泵非常害怕积碳（喜欢开车的小火箭好友可以类比汽车发动机）。积碳会严重影响涡轮的工作稳定性。而且，对于可重复使用火箭来说，每台发动机在执行完当次任务后，最好里面仍然是干干净净的如同新的一样，这才能从本质上降低可重复使用运载火箭的发射成本。否则，每次发射完再拆开清理一遍积碳还是蛮累人的。
在正常工作状态下，液氧甲烷发动机的碳在燃气中的占比只有液氧煤油发动机的15.8%。
这果然是极好的。
既然怕有积碳，那干脆用液氢液氧不是更好？
可惜液氢的密度太小了，只有70.8千克/立方米。航天飞行器需要巨大的贮箱来存放足够的液氢。航天飞机的橙色大肚子里，按体积来说的话，主要就是液氢。
而液态甲烷的密度是液氢的6倍。因此，能够执行相似任务的火箭的尺寸可以大幅缩小。
也就是说，液氧甲烷发动机是最不易结焦和最不易积碳的烃类推进剂，是除液氢液氧组合之外，最清洁的推进剂组合。在可重复使用火箭的时代，一定会有很好的发展。
细节
说起未来的可重复使用火箭发动机，不可避免地又得提到燃烧室压力。目前，大家基本上形成的共识是燃烧室压力越大，火箭发动机的效率越高。但是，有太多因素在制约着火箭发动机燃烧室压力的进一步提升。
不过，有些反直觉的是，这本质上不是结构材料的问题，而实际上是个热力学问题。
推进剂的冷却性能和自身的纯度才是当前人类火箭发动机的燃烧室压力的瓶颈。
小火箭给出多种煤油、甲烷、液氢、液氧对应的液体火箭发动机燃烧室的理论极限室压。
| 制表：邢强 | 理论极限室压 |
| 一般工业煤油 | 9.04 MPa |
| 美国军标煤油 | 13.15 MPa |
| 航天精炼煤油 | 21.26 MPa |
| 苏联巴库煤油 | 27.52 MPa |
| 航天用液氧 | 28.78 MPa |
| 高纯度甲烷 | 34.65 MPa |
| 高纯度液氢 | 38.32 MPa |
怪不得美国当年研制土星5号火箭的F-1发动机的时候要把室压限制在7MPa以内。
由上表可见，液氧煤油组合，受煤油本身的限制，即使是拜火教圣地的油，也难以让火箭燃烧室压力突破28MPa了。而液氧甲烷发动机的理论极限是烃类燃料中最强的。
（当然，比起液氢液氧来说还差一些，比较用年轻人的话来说，液氢是开挂一样的存在。）
这是XCOR的5M15液氧甲烷发动机点火时的样子，漂亮的马赫环。
在这里小火箭补充一个液氧甲烷发动机相对于液氧煤油发动机的另外一个优势：
甲烷的粘度只有煤油的32%，在雾化过程中，会有非常类似于液氢的那种极细小的液滴出现。这样的状态非常有利于快速燃烧和持续燃烧的稳定性。
对于需要深度调节推力大小的可重复使用运载火箭的发动机来说，燃烧稳定性是个至关重要的性能指标。
上图为一款液氧甲烷发动机的喷注盘（左）和燃烧室（右）部件。这两个部件都是用激光增材3D打印的技术生产的。
深空
来吧！迈向那个深邃的深空吧！
但是，最好你有几台液氧甲烷发动机在身边。
奔向月球和火星或者更远地方的深空探测器，需要其推进剂能够在火箭内部可靠贮存数天甚至数月。
煤油容易冻住，液氢则过于调皮，总会想法设法跑掉。而甲烷的沸点为-161 °C，液氧的沸点为-183℃，二者比较接近。可以在今后的深空探测任务中，用类似的甚至相同的系统来统一进行管理。
另外，在火星和土卫六上，存在生产提炼甲烷的可能。这就为今后迈入深空的先驱者能够乘坐火箭返回地球提供了条件。
火星大气中95%的成分是二氧化碳，而火星土壤中有水，通过上图这样的化学反应，能够制备出氧气和甲烷。
而她们，刚好分别是液氧甲烷火箭发动机所用的氧化剂和燃料。
因此，载人登陆火星的任务使得液氧甲烷发动机会在未来成为重要的发展方向。
目前人类所发现的最大甲烷湖叫做克拉肯海，位于泰坦星（土卫六）的北极区域，另外一个较大的甲烷湖被称作安大略湖，位于泰坦星的南极区域附近 :)
因此，如果去泰坦星，恰好乘坐的是液氧甲烷发动机火箭的话，整湖整湖的都是燃料啊！
猛禽
说了液氧甲烷发动机的这么多好处，那么，现在有哪些企业在大力发展液氧甲烷发动机呢？
首先，就是SpaceX公司了。上图为SpaceX公司的新一代运输系统的概念图。按设计，该系统使用的就是液氧甲烷发动机。
猛禽液氧甲烷发动机项目从2009年立项，到2015年，研制成功，出厂。
2016年1月份，美国空军对液氧甲烷发动机技术表现出了浓厚的兴趣，给SpaceX公司注资3360万美元，要求入股猛禽液氧甲烷发动机项目。
SpaceX在该项目中的投入估值为6730万美元，基本上保证了商业航天企业与美国军方的投入比例为2:1。
2016年9月25日，在美国德克萨斯州，猛禽液氧甲烷火箭发动机首次点火成功。这款海平面比冲330秒，真空比冲375秒，真空推力高达1900千牛（是现役梅林1D液氧煤油发动机最大推力的2.08倍）的发动机将会成为SpaceX公司星际航行任务的动力来源。
BE-4
2017年3月6日，美国蓝色起源公司的首台液氧甲烷发动机出厂。
这是蓝色起源公司BE-4液氧甲烷发动机的零部件拆解合影。
蓝色起源的新谢泼德火箭使用的是BE-3液氢液氧火箭发动机。随着BE-4液氧甲烷发动机研制测试进度的加快，不久的将来，我们应该就能够看到使用BE-4发动机的新型火箭升空。
虽然蓝色起源公司比起SpaceX公司要低调了不少，但是其液氧甲烷发动机BE-4则悄悄地进入了小批量生产阶段。
这是美国蓝色起源公司的BE-4液氧甲烷发动机正在进行地面试车的场景。
凤凰
实际上，不仅美国的SpaceX公司和蓝色起源公司在紧锣密鼓地进行液氧甲烷发动机的研发和生产，中国的蓝箭空间科技公司也在进行液氧甲烷发动机的研制。
上图为蓝箭公司的PNX-1凤凰液氧甲烷发动机三维设计图。
2017年12月14日，蓝箭自主研发的10吨级液氧甲烷火箭发动机凤凰的燃气发生器成功进行了首轮点火试验。
燃气发生器是泵压式液体火箭发动机中的关键部件，甚至可以说，燃气发生器是液体火箭发动机的动力之源。
期待中国蓝箭的液氧甲烷发动机在此次燃气发生器成功点火试验之后，能够更加快速和顺利地实现整台发动机的首次成功地面试车。
本文，小火箭和大家一起回顾了小火箭液体火箭发动机系列第1季的文章。然后共同探讨了液氧甲烷发动机的优势：冷却性能好、燃气发生器效率高、不易结焦、比冲通常要高于液氧煤油发动机。而单位质量的甲烷燃料的成本只有煤油的三分之一，不到液氢的三十分之一。
在新的时代，液氧甲烷发动机拥有了能够得以快速发展的3大因素：
第一，可重复使用运载火箭的兴起使得在所有烃类燃料中积碳最少的液氧甲烷发动机得到了极大地重视；
第二，深空探测超远距离太空航行对可长期贮存液体火箭燃料的需求使得热管理方面拥有优势的液氧甲烷发动机拥有较大的发展潜力；
第三，火星、泰坦星的探测任务使得液氧甲烷发动机拥有独特的优势（燃料可以在当地制备或提炼）。
然后，小火箭介绍了美国SpaceX的猛禽、美国蓝色起源的BE-4和中国蓝箭的凤凰3款由商业航天企业研制的液氧甲烷发动机的发展进度。
愿液氧甲烷这种含碳推进剂中最优秀的组合带着我们碳基生命的荣耀，奔向更加深邃的空间！
时间跨越了16个月的小火箭液体火箭发动机系列文章第1季，就此完结！是大家的鼓励和支持让小火箭坚持到了今天！感谢大家！
相关阅读：
版权声明：
本文是邢强博士原创文章，属小火箭悦读系列。网易新闻·网易号“各有态度”特色内容。欢迎朋友圈转发。
微信号：小火箭
微信ID：ixiaohuojian
欢迎 加入 小火箭 ，进入航空航天大家庭！
针对iOS的小火箭打赏二维码已补充。
感谢大家对小火箭的支持！