厲害了！中國搶先發射液氧甲烷火箭成功，但與馬斯克相比還有差距
朱雀二號終於修成正果了！據新華社消息，2023年7月12日上午，藍箭航天的朱雀二號遙二火箭在酒泉衛星發射中心發射升空，並且已經成功入軌！這枚火箭雖然是民營公司研製的，卻非常不簡單，是世界上首枚發射入軌的液氧甲烷火箭。
朱雀二號的第一級使用了4臺80噸級的“天鵲12”發動機，第二級採用1臺“天鵲12”和1臺10噸級的“天鵲11”遊動發動機，近地軌道運力6噸，太陽同步軌道運力4噸，大大超過了韓國舉全國之力搞出的“世界號”。
去年12月，朱雀二號遙一火箭首飛，第一級和第二級的天鵲12均正常工作並關機，但第二級的天鵲11出現問題，導致衛星未能入軌，要不然當時就實現了甲烷火箭的首次入軌，好在現在遙二火箭成功了，也不算太晚，仍然拔得了液氧甲烷火箭的頭籌。
說起液氧甲烷火箭，就不能不提一個人，那就是大名鼎鼎的SpaceX老總馬斯克。用液氧甲烷作爲火箭燃料，就是他一直大力推崇的。然而老馬家採用液氧甲烷發動機（猛禽）的火箭“星艦”，到現在還沒能成功入軌，上次發射就放了一個大煙花，在全世界的目光中爆炸自毀，確實很丟面子。
然而就是這個連馬斯克都還沒啃下來的技術，竟然被中國公司搶先實現了，而且還是一家民營航天公司，讓這位世界首富的臉都有點兒沒處擱。爲什麼大家都對液氧甲烷火箭如此情有獨鍾呢？咱們先來看看馬斯克給出的理由。
這個理由非常的開腦洞：是因爲他要去火星以及太陽系其它行星！火星大氣中含有大量甲烷，而在土衛六、天王星、海王星等星球上，甲烷的儲量更大，土衛六上甚至有液態甲烷形成的湖泊。由於外太空的行星上甲烷特別豐富，使用它作爲火箭燃料就好補充，更有利於星際航行。
聽上去是不是很宏大？很讓人心潮澎湃？但這不是最根本的原因，即使富有如馬斯克，要選擇哪種技術路線，主要還得看經濟效益。到外行星開採甲烷是很遙遠的事情，不能當真。液氧甲烷火箭當下最大的優勢，就是能在擁有高比衝的同時，還特別有利於火箭發動機的回收複用，而這正是SpaceX公司的立身之本。
與固體火箭相比，液體火箭的比衝高，運力強。如果按燃料類型來分的話，液體火箭發動機常見的有使用的偏二甲肼/四氧化二氮的“毒發”，但現在用得越來越少了。除了毒發之外有高大上的液氫液氧，還有現在比較流行的液氧煤油，然後就是液氧甲烷。
衡量發動機技術水平的參數，一個是推力，一個是比衝，當然還有推重比。比衝就是消耗單位質量的推進劑所能帶來的動量增量，比衝越高，火箭的效率就越高，越能打得高打得遠。
在上述幾種液體火箭發動機中，液氫液氧發動機無疑是比較最高的，這是因爲單位質量的氫氣燃燒釋放的熱量最高。氫氧發動機的比衝隨隨便便都能達到440s以上，比液氧煤油和液氧甲烷都高得多。所以打高軌道的火箭經常使用氫氧發動機，比如美國的SLS、德爾它4，我國的長征五號，歐洲的阿里亞娜5等等。
但氫氧發動機最大的問題就是液氫的密度太小，一立方米只有70.85公斤，不到水的十分之一，簡直低到髮指，需要用特別大的貯箱來裝，這就帶來了很大的結構重量，對火箭的幹質比很不利。另外液氫需要在零下253℃以下儲存，對低溫技術的要求也很高。
而液氧煤油發動機在這方面就比較有優勢，煤油的熱值比液氫低，但勝在密度大，所以液氧煤油火箭的燃料貯箱不需要特別大，還可以實現非常大的推力，比如土星五號的F-1發動機推力達到了680噸。而且煤油很便宜，還不需要低溫，成本大大降低。但煤油發動機的缺點一個是比衝低，另一個就是容易發生結焦，不利於回收複用。
這裡說的煤油結焦不是指積碳，積碳是因爲煤油不完全燃燒，而結焦則發生在用煤油作爲冷卻劑冷卻燃燒室的時候。由於火箭燃燒室的溫度高達3000多℃，如果不冷卻，會很容易被燒壞，這時需要用還沒有燃燒的煤油來冷卻。煤油在高溫下即使沒有氧氣，也會產生結焦問題。對於一次性火箭來說，結焦影響不大，但對於重複使用的火箭，結焦就增加了修復的難度和成本。
於是SpaceX在新一代超重型火箭星艦上，選擇了液氧甲烷燃料，研製了“猛禽”發動機。甲烷的熱值雖然比不上氫氣，但比煤油要高。而甲烷在常壓下的液化溫度爲零下160℃，加壓的話還可以更高，比液氫要高不少，對低溫的要求大大降低。而液態甲烷的密度大約是煤油的一半，但比液氫要大得多，貯箱產生的重量代價還是可以接受的。
最重要的是甲烷不容易發生結焦，特別有利於發動機的重複使用，這對馬斯克和SpaceX公司來說是至關重要的。但是雖然老馬一直在推，使用液氧甲烷的星艦發射卻一直不太順利。在上一次入軌發射嘗試中，發射升空之後有多臺猛禽發動機沒能點火或中途熄火，造成火箭姿態失控，最終自爆。
與多災多難的星艦相比，我國藍箭航天的朱雀二號的進度卻要快得多。雖然去年12月的首飛遭遇了失敗，第二級的天鵲11遊機出了故障，未能入軌，但今年的遙二火箭卻實現了首飛成功，說明第二級遊機的問題已經得到了圓滿解決。這次發射也讓朱雀二號成爲有史以來第一枚入軌的液氧甲烷火箭，說它是世界第一是沒有問題的。
有些網友認爲：這表明我國民營公司的液氧甲烷發動機技術已經超越了“猛禽”，在這方面也是世界第一，這就有待商榷了。朱雀二號的80噸級“天鵲12”發動機不僅推力遠遠比不上猛禽的269噸，約10MPa的室壓比後者的35MPa也要低得多，更大的差距是天鵲12採用了燃氣發生器循環，而猛禽則是全流量分級燃燒循環，技術水平不在一個等級上。
燃氣發生器循環又稱開式循環，是大推力液體火箭發動機的常用工作方式。液體火箭需要使用渦輪泵把燃料和氧化劑泵入燃燒室，爲了達到這個目的，有多種循環方式，而燃氣發生器循環是最簡單粗暴的一種，它將部分燃料和氧化劑在預燃室中混合燃燒，推動渦輪泵。
爲了不讓渦輪泵溫度過高，經常會讓燃料多於氧化劑，或是氧化劑多於燃料，也就是富燃燃燒或富氧燃燒，產生的廢氣就直接用一根管子排掉了。獵鷹9號的梅林發動機就是開式循環，可以看到預燃室富燃燃燒排出的滾滾黑煙。
這種循環方式結構簡單，但預燃室排出的廢氣只能產生很小的推力，還浪費了大量燃料或氧氣，燃燒室的室壓也做不到特別高，最終的後果就是比衝低，例如獵鷹9號火箭使用的梅林1D發動機的海平面比衝只有282秒。朱雀二號的天鵲12就是燃氣發生器循環，雖然採用了甲烷燃料，但海平面比衝也只有286秒，比使用煤油的梅林1D沒高到哪兒去。
但SpaceX的猛禽發動機就大有不同了，它採用的全流量分級燃燒循環是非常高端的技術，比燃氣發生器循環高兩個層次。要說清楚這種工作方式，得先說說介於二者之間的高壓補燃循環，也就是長征五號助推器的YF100發動機採用的循環方式。
高壓補燃屬於閉式循環，預燃室採用富氧燃燒，產生的廢氣沒有直接排掉，而是進入燃燒室繼續參與燃燒。由於廢氣是富氧的，需要補充燃料，所以才叫“補燃”。高壓補燃的廢氣得到了再利用，室壓也比燃氣發生器循環更高，所以比衝也更高。但全流量分級燃燒循環比高壓補燃還要更加激進。
全流量分級燃燒的室壓更高，最終也實現了更大的比衝。第三代猛禽的海平面比衝達到了330秒左右，明顯高於天鵲12。而甲烷在富燃燃燒時的積碳更少，液態甲烷的結焦也遠遠小於煤油，因此猛禽發動機也是可重複利用的。
朱雀二號的運載能力比起星艦更是差得遠，它的近地軌道運力是6噸，目前還沒有實現回收。而星艦則達到了150~250噸，而且還能回收。所以說，雖然朱雀二號和天鵲12搶先實現了發射入軌，但在技術水平上與星艦與猛禽的組合還有很大差距。星艦近期也會進行第二次入軌發射，如果成功的話，其優勢就更大了。
不過，萬事開頭難，現在朱雀二號已經開了一個好頭，接下來只要能夠走上正軌，不斷髮射衛星，不斷改進提升，就會進入良性循環。未來批次的朱雀二號將採用改進的天鵲12A發動機，該發動機具備二次啓動能力，有重複使用潛力，而第二級也將取消遊機，使用80噸級的天鵲15A可變推力泵前擺液氧甲烷發動機。
馬斯克的獵鷹9號一開始其實也沒有那麼強，但後來在持續改進中實現了可回收，能力也越來越強，相信朱雀二號也能實現這樣的逆襲！