朱雀二号首飞失败，国产液氧甲烷发动机受挫？第一级火箭工作正常

　　朱雀二号火箭12月14日在酒泉卫星发射中心首飞失败，第一级发动机工作正常，第二级的主发动机也顺利关机了，但卫星却未能入轨，这对于我国民营航天来说，确实是个坏消息。
　　朱雀二号发射
　　朱雀二号是民营的蓝箭航天研发的，使用了国产最大推力的液氧甲烷发动机，因此被网友们寄予了厚望。液氧甲烷发动机是目前航天领域的潮流所向，特别是在可重复使用方面有着巨大优势，这次发射失败是因为液氧甲烷发动机还不够成熟吗？
　　整流罩已经打开
　　其实早在2018年，蓝箭航天就曾经发射过朱雀一号，是我国第一发首飞的民营公司研制的火箭，结果第一、二级发动机工作正常，但在第三级发动机关机前8秒，火箭姿轨控系统的燃料管路断裂，燃料出现泄露，导致姿控燃料提前耗尽。火箭失去姿控的能力后，迅速姿态失稳，发生异常翻滚。导致三级关机时火箭速度不足，坠入了印度洋。
　　朱雀一号也败在最后一步
　　不过朱雀一号是一发小火箭，起飞重量只有27吨，一二三级都是固体发动机，姿轨控发动机是液体的。与朱雀一号相比，朱雀二号就是＂鸟枪换炮＂了，它的总重量达到了216吨，起飞推力268吨，第一级安装了4台80吨级＂天鹊12＂液氧甲烷发动机（地面推力67吨），第二级则是1台真空型天鹊12作为主动力，还有一台10吨级＂天鹊11＂液氧甲烷发动机作为游机。
　　朱雀二号
　　由于液氧甲烷的比冲高，朱雀二号的运载能力相当不俗，200公里近地轨道能达到6吨，500公里太阳同步轨道达到了4吨，这是个啥水平呢？妥妥地超过了韩国的＂世界号＂，后者的近地轨道运力只有1.5吨。而朱雀二号的两级火箭都使用了液氧甲烷发动机，这个是个非常热门的发展方向，美国SpaceX公司的星舰就使用了液氧甲烷，对于实现火箭可回收有着特殊的意义。
　　星舰使用的猛禽发动机
　　对于液体火箭来说，可选择的燃料主要有偏二甲肼/四氧化二氮、液氢液氧、液氧煤油、液氧甲烷这么几种。其中偏二甲肼/四氧化二氮很成熟，但是却有毒，已经逐渐出现了退出的趋势。
　　液氢液氧的比冲最高，是理论上最理想的燃料，但是液氢需要在零下253℃的低温下保存，条件十分苛刻。还有个大问题是液氢的密度低到发指，每立方米只有70.85千克，连水的十分之一都不到，所以氢氧燃料的火箭都需要一个巨大的液氢贮箱，无形中也增加了结构重量。
　　美国登月大火箭的巨大贮箱
　　比起娇气还容易爆炸的液氢，液氧煤油燃料就显得极为友好了。煤油便宜又无毒，常温下就是液态，而且煤油的密度远大于液氢，单位体积释放的能量反而更大，因此推力可以做得很大，美国土星五号登月火箭的F-1发动机，推力就高达680吨，远大于新近发射的＂阿尔忒弥斯1号＂火箭使用的氢氧发动机。此外煤油贮箱的容积也远远小于液氢贮箱。
　　土星五号的F1发动机
　　不过液氢煤油发动机最明显的弱点就是比冲低，就是消耗单位质量的燃料产生的速度增量较小。而对于需要重复使用的火箭来说，煤油最大的问题就是容易结焦！这里就涉及到了大推力液体火箭发动机的工作方式。
　　由于需要使用涡轮泵把液体燃料送入推力室，所以必须在预燃室提前燃烧部分燃料来推动涡轮泵，因此就出现了三种主要的循环方式：燃气发生器循环（开式循环）、高压补燃循环和全流量分级燃烧循环。
　　大推力火箭发动机的循环方式
　　以液氧煤油发动机为例，燃气发生器循环最是简单粗暴，在预燃室燃烧之后，产生的废气直接用一根管子排掉。为了不让涡轮泵被预燃室的高温给烧坏，会采用大量煤油的不完全燃烧（富燃）或者是少量煤油大量氧化剂的富氧燃烧。
　　排出的废气虽然也能产生一丁点儿推力，但消耗了不少推进剂或氧气，另外燃烧室压力也比较低，比冲因此就降得更低。例如猎鹰9号火箭使用的梅林1D发动机，预燃室是富燃燃烧，冒出大量黑烟，海平面比冲只有282秒，比起氢氧发动机动辄440秒左右的比冲就差太多了。
　　梅林1D采用开式循环
　　如果想改善比冲的话，就可以使用高压补燃循环，与燃气发生器循环相比，高压补燃是闭式循环，预燃室采用富氧燃烧，产生的废气没有直接排掉，而是输送到了推力室，由于燃气是富氧的，所有需要补充燃料，所以才叫＂补燃＂。
　　这种方式还能够实现2~3倍于燃气发生器循环的燃烧室压力，所以又称＂高压补燃＂。这种工作方式产生的比冲当然就更大了，像俄罗斯著名的RD180，海平面比冲311秒，明显高于梅林1D。
　　RD180的比冲较高
　　那为什么精明的马斯克宁可使用梅林1D这样的开式循环，也不采用高压补燃呢？一方面是高压补燃确实有诀窍，不是那么容易实现的。另一方面就是煤油的结焦问题。这个结焦并不是指积碳，只要煤油充分燃烧，或者干脆多加点氧气，就不太容易积碳。结焦发生在煤油作为再生冷却剂冷却燃烧室的过程中。
　　由于火箭燃烧室的温度相当高，达到3000多℃，如果不加以冷却的话，再厉害的耐热材料也要烧坏，因此一部分煤油在燃烧之前，会先在燃烧室外壁上的管道里走一圈，即提升了自身的温度，又冷却了燃烧室。
　　但问题是管子里的煤油在高温下就容易出现结焦，温度越高结焦就越严重。对于一次性使用火箭来说，只要能维持到发动机关机就可以了，但对于要重复使用的火箭来说，结焦就成了致命缺陷，极大地增加了修复所需的工作量，甚至根本无法恢复。
　　猛禽液氧甲烷发动机
　　于是马斯克就推出上史上首台使用液氧甲烷为燃料的＂猛禽＂发动机，并且采用了更加强悍的＂全流量分级燃烧循环＂，这种循环方式拥有两个预燃室，分别是富氧和富燃，所有都需要分别经过这两个预燃室，即所谓的＂全流量＂，然后再一起进入燃烧室燃烧。
　　＂全流量分级燃烧循环＂能够实现比高压补燃更大的室压和更高的比冲，猛禽发动机的室压高达33MPa，比冲达到了380秒。这里就看出为什么要使用甲烷了。在富燃的预燃室里甲烷的积碳少，而用来冷却燃烧室的液态甲烷的结焦也远远小于煤油，因此特别适合于重复使用。
　　全流量分级燃烧循环有两个预燃室
　　甲烷还有其它优点，它比液氢便宜，在常压下的液化温度为零下160℃，如果加压的话还可以更高，这就比液氢要好得多。液态甲烷的密度大约是煤油的一半，比液氢要大得多，所以贮箱也不会过大。由于单位质量的热值比煤油高，所以比冲天生就比煤油大，再加上＂全流量分级燃烧循环＂的加持，就更加有优势了。
　　猛禽发动机
　　马斯克应该就是因为甲烷的这些优点才开发了猛禽发动机，至于说甲烷在其它星球比较容易获取之类的话，估计是说给媒体听的，毕竟对他来说赚钱才是第一要务。那么相比于强大的猛禽，朱雀二号上的天鹊发动机又是个什么水平呢？原来，无论是天鹊12还是天鹊11，采用的都是燃气发生器循环，在工作方式上与猛禽还有很大差距。
　　作为民营航天公司，蓝箭选择燃气发生器循环也是合理的，毕竟全流量分级燃烧循环的技术难度太大，研发周期也会很长，比较适合国家队来搞，对民营公司来说不太现实。而燃气发生器循环的技术难度低，也能利用甲烷燃料的优点，实现可重复使用。将来再在这个基础上不断改进，再做出更先进的发动机也不是没有可能。
　　天鹊12试车
　　2019年5月17日，天鹊12发动机的20秒试车在浙江湖州圆满成功，意味着中国民营企业首次掌握百吨级液体火箭发动机的全部关键技术。2019年7月，10吨级的天鹊11推力室650秒长程试车圆满成功。2019年7月22日，天鹊12发动机100%推力试车取得成功，最长试车时间100秒。2022年8月，天鹊12A二次起动试车成功，表明其具备了重复使用能力。2022年10月，真空型的天鹊15A成功完成了首次全系统热试车，试验时长20秒。
　　天鹊12A二次起动试车
　　可见天鹊发动机的进展还是比较快的。但这次朱雀二号的首飞失利，确实是一个重大挫折，第一级的天鹊12工作十分正常，表明大推力的液氧甲烷发动机通过了实战考验。火箭一二级正常分离，整流罩也顺利打开了，但在第二级发动机正常关机后，火箭还在持续掉高度，最终导致卫星未能入轨。
　　卫星未能入轨
　　看来朱雀二号和朱雀一号一样，就差在了最后的临门一脚上，十分可惜。而故障原因目前尚未公布，有可能和二级的游动发动机，即有4个推力室的天鹊11有关，因为二级主发动机关机后，卫星入轨最后靠的就是它。
　　天鹊11游动发动机
　　航天之路永远都不是平坦的，对于民营航天更是如此。马斯克当年也经历了许多次失败，才搞出了猎鹰9号。希望蓝箭能够尽快找出原因，实现归零，并再接再厉。毕竟国内的液氧甲烷发动机目前就属他家最成熟了。