火箭发动机-‘液氧煤油’和‘液氧甲烷’有什么不同？

核心内容:

最近聊火箭的时候有说到发动机用的燃料，其中有固体燃料和液体燃料两大类，而液体燃料里面有的火箭用的是“液氧煤油”，有的火箭用的则是“液氧甲烷”，有些用的是“液氢液氧”，后面咱们再单独来聊。

（下图分别为：液氧煤油、液氧甲烷、液氢液氧，仅供参考。）

今天我们主要来看看“液氧甲烷”和“液氧煤油”两者有何不同。

其实它们最大的区别就是液氧煤油容易产生积碳，不适合做可回收火箭的燃料，但很适合一次性火箭；而液氧甲烷几乎不产生积碳，适合用于可重复使用的火箭。

这是因为甲烷分子结构简单，燃烧过程较为稳定，燃烧后主要生成水蒸气和二氧化碳，非常环保，并且几乎不产生积碳，发动机内部就不易堵塞，这就使发动机在多次使用后仍能保持良好的性能，非常合适用于可回收火箭。

虽然液氧煤油燃烧产生的主要也是水蒸气和二氧化碳，也比较清洁环保。但跟液氧甲烷比起来，煤油成分复杂，含有多种碳链长度的烃类，燃烧时容易产生不完全燃烧产物，就像我们常说的“积碳”，这些“积碳”会堵塞发动机的管路和燃烧室，不仅影响发动机的重复使用性能，还会增加维护成本。所以说它比较适用于一次性火箭。

上面说的原理其实和我们燃油车的发动机还是有些类似的。

从性能上来讲，液氧甲烷发动机的理论比冲约为390秒，高于煤油的约377秒，甲烷的冷却性也是煤油的3倍以上，且燃烧更稳定。

从两者的储存上来看，液氧煤油火箭通常采用“分离式储存”，也就是液氧和煤油分别储存在两个独立的容器中，因为液氧的沸点为-183°C，而煤油的沸点约为-35°C，两者温差较大，就需要分别储存以避免相互影响。

而液氧甲烷火箭则更倾向于使用“共底储箱”，就是将液氧和甲烷储存在同一个大容器中，中间通过隔板进行隔离。那是因为液氧和甲烷的沸点非常接近，液氧为-183°C，甲烷为-161°C，两者的温差仅为22°C。

煤油的密度较高，其储箱体积就可以比较小；甲烷的密度较低，就需要体积较大的储箱。

从成本上来看，液氧与煤油的混合比例为2.7/1，液氧和甲烷的配比为3.5/1，如果要达到相同的推力，“液氧甲烷”方案会需要更多的液氧，而“液氧煤油”的方案则需要更多的煤油。

甲烷主要来源于液化天然气，杂质比较少，生产过程相对简单，成本也较低，单位生产成本大概在5元/千克。

而煤油需要从原油中提炼，工艺就比较复杂，并且对原油的成分要求比较高，就导致其成本显著上升。其单位生产成本大概在15元/千克。

这么看来，液氧煤油的成本是液氧甲烷的3倍左右。

并且，外太空资源获取上，甲烷在火星等天体上可能存在，对于未来人类探索外太空就可以就地取材，减少燃料的运输成本。

那液氧甲烷又环保又便宜，适用于可回收火箭，还能未来在太空获取等这么多优势，为什么还要用液氧煤油呢？

其实两者还是各有千秋的。

虽然液氧煤油的单位生产成本约为15元/千克，而液氧甲烷的单位生产成本约为5元/千克，但是在火箭工程中，并不只能光看其燃料单独生产的成本。

这中间还要考虑综合成本、比冲、性能、以及储存、运输等等其他的综合因素。

比方说液氧煤油的密度更高，储存条件也相对温和，不需要极低温环境，实际的运输和储存就更方便，这方面成本也就更低。

并且，我国煤油的来源广泛，价格也比较稳定。

液氧煤油发动机在火箭领域的成熟应用时间早于液氧甲烷几十年，相关的设计和制造维护等流程已经非常成熟。在商业的成熟应用时间上，我们前面说过，23年我国的朱雀二号是全球首款使用液氧甲烷发动机的运载火箭，其技术成熟度肯定低于液氧煤油。

一次性火箭主要用于低成本和高频率的发射任务（可回收火箭再次使用前需要进行维护），比方说卫星互联网组网或者遥感卫星发射等，这些任务对火箭的重复使用要求不高，就更适合液氧煤油。

对于一次性火箭，成本是首先要考虑的因素。而液氧煤油综合的成本优势在一次性使用中就很凸显。

并且，不管在哪个领域，技术单一都不是个好策略。

所以，在未来很长的时间里，液氧煤油的一次性火箭也还是会占有重要的一席之地，而液氧甲烷则更合适可回收火箭。