朱雀二號火箭12月14日在酒泉衛星發射中心首飛失敗，第一級發動機工作正常，第二級的主發動機也順利關機了，但衛星卻未能入軌，這對於我國民營航天來說，確實是個壞訊息。

朱雀二號發射

朱雀二號是民營的藍箭航天研發的，使用了國產最大推力的液氧甲烷發動機，因此被網友們寄予了厚望。液氧甲烷發動機是目前航天領域的潮流所向，特別是在可重複使用方面有著巨大優勢，這次發射失敗是因為液氧甲烷發動機還不夠成熟嗎？

整流罩已經開啟

其實早在2018年，藍箭航天就曾經發射過朱雀一號，是我國第一發首飛的民營公司研製的火箭，結果第一、二級發動機工作正常，但在第三級發動機關機前8秒，火箭姿軌控系統的燃料管路斷裂，燃料出現洩露，導致姿控燃料提前耗盡。火箭失去姿控的能力後，迅速姿態失穩，發生異常翻滾。導致三級關機時火箭速度不足，墜入了印度洋。

朱雀一號也敗在最後一步

不過朱雀一號是一發小火箭，起飛重量只有27噸，一二三級都是固體發動機，姿軌控發動機是液體的。與朱雀一號相比，朱雀二號就是“鳥槍換炮”了，它的總重量達到了216噸，起飛推力268噸，第一級安裝了4臺80噸級“天鵲12”液氧甲烷發動機（地面推力67噸），第二級則是1臺真空型天鵲12作為主動力，還有一臺10噸級“天鵲11”液氧甲烷發動機作為遊機。

朱雀二號

由於液氧甲烷的比衝高，朱雀二號的運載能力相當不俗，200公里近地軌道能達到6噸，500公里太陽同步軌道達到了4噸，這是個啥水平呢？妥妥地超過了韓國的“世界號”，後者的近地軌道運力只有1。5噸。而朱雀二號的兩級火箭都使用了液氧甲烷發動機，這個是個非常熱門的發展方向，美國SpaceX公司的星艦就使用了液氧甲烷，對於實現火箭可回收有著特殊的意義。

星艦使用的猛禽發動機

對於液體火箭來說，可選擇的燃料主要有偏二甲肼/四氧化二氮、液氫液氧、液氧煤油、液氧甲烷這麼幾種。其中偏二甲肼/四氧化二氮很成熟，但是卻有毒，已經逐漸出現了退出的趨勢。

液氫液氧的比衝最高，是理論上最理想的燃料，但是液氫需要在零下253℃的低溫下儲存，條件十分苛刻。還有個大問題是液氫的密度低到髮指，每立方米只有70。85千克，連水的十分之一都不到，所以氫氧燃料的火箭都需要一個巨大的液氫貯箱，無形中也增加了結構重量。

美國登月大火箭的巨大貯箱

比起嬌氣還容易爆炸的液氫，液氧煤油燃料就顯得極為友好了。煤油便宜又無毒，常溫下就是液態，而且煤油的密度遠大於液氫，單位體積釋放的能量反而更大，因此推力可以做得很大，美國土星五號登月火箭的F-1發動機，推力就高達680噸，遠大於新近發射的“阿爾忒彌斯1號”火箭使用的氫氧發動機。此外煤油貯箱的容積也遠遠小於液氫貯箱。

土星五號的F1發動機

不過液氫煤油發動機最明顯的弱點就是比衝低，就是消耗單位質量的燃料產生的速度增量較小。而對於需要重複使用的火箭來說，煤油最大的問題就是容易結焦！這裡就涉及到了大推力液體火箭發動機的工作方式。

由於需要使用渦輪泵把液體燃料送入推力室，所以必須在預燃室提前燃燒部分燃料來推動渦輪泵，因此就出現了三種主要的迴圈方式：燃氣發生器迴圈（開式迴圈）、高壓補燃迴圈和全流量分級燃燒迴圈。

大推力火箭發動機的迴圈方式

以液氧煤油發動機為例，燃氣發生器迴圈最是簡單粗暴，在預燃室燃燒之後，產生的廢氣直接用一根管子排掉。為了不讓渦輪泵被預燃室的高溫給燒壞，會採用大量煤油的不完全燃燒（富燃）或者是少量煤油大量氧化劑的富氧燃燒。

排出的廢氣雖然也能產生一丁點兒推力，但消耗了不少推進劑或氧氣，另外燃燒室壓力也比較低，比衝因此就降得更低。例如獵鷹9號火箭使用的梅林1D發動機，預燃室是富燃燃燒，冒出大量黑煙，海平面比衝只有282秒，比起氫氧發動機動輒440秒左右的比衝就差太多了。

梅林1D採用開式迴圈

如果想改善比衝的話，就可以使用高壓補燃迴圈，與燃氣發生器迴圈相比，高壓補燃是閉式迴圈，預燃室採用富氧燃燒，產生的廢氣沒有直接排掉，而是輸送到了推力室，由於燃氣是富氧的，所有需要補充燃料，所以才叫“補燃”。

這種方式還能夠實現2~3倍於燃氣發生器迴圈的燃燒室壓力，所以又稱“高壓補燃”。這種工作方式產生的比衝當然就更大了，像俄羅斯著名的RD180，海平面比衝311秒，明顯高於梅林1D。

RD180的比衝較高

那為什麼精明的馬斯克寧可使用梅林1D這樣的開式迴圈，也不採用高壓補燃呢？一方面是高壓補燃確實有訣竅，不是那麼容易實現的。另一方面就是煤油的結焦問題。這個結焦並不是指積碳，只要煤油充分燃燒，或者乾脆多加點氧氣，就不太容易積碳。結焦發生在煤油作為再生冷卻劑冷卻燃燒室的過程中。

由於火箭燃燒室的溫度相當高，達到3000多℃，如果不加以冷卻的話，再厲害的耐熱材料也要燒壞，因此一部分煤油在燃燒之前，會先在燃燒室外壁上的管道里走一圈，即提升了自身的溫度，又冷卻了燃燒室。

但問題是管子裡的煤油在高溫下就容易出現結焦，溫度越高結焦就越嚴重。對於一次性使用火箭來說，只要能維持到發動機關機就可以了，但對於要重複使用的火箭來說，結焦就成了致命缺陷，極大地增加了修復所需的工作量，甚至根本無法恢復。

猛禽液氧甲烷發動機

於是馬斯克就推出上史上首臺使用液氧甲烷為燃料的“猛禽”發動機，並且採用了更加強悍的“全流量分級燃燒迴圈”，這種迴圈方式擁有兩個預燃室，分別是富氧和富燃，所有都需要分別經過這兩個預燃室，即所謂的“全流量”，然後再一起進入燃燒室燃燒。

“全流量分級燃燒迴圈”能夠實現比高壓補燃更大的室壓和更高的比衝，猛禽發動機的室壓高達33MPa，比衝達到了380秒。這裡就看出為什麼要使用甲烷了。在富燃的預燃室裡甲烷的積碳少，而用來冷卻燃燒室的液態甲烷的結焦也遠遠小於煤油，因此特別適合於重複使用。

全流量分級燃燒迴圈有兩個預燃室

甲烷還有其它優點，它比液氫便宜，在常壓下的液化溫度為零下160℃，如果加壓的話還可以更高，這就比液氫要好得多。液態甲烷的密度大約是煤油的一半，比液氫要大得多，所以貯箱也不會過大。由於單位質量的熱值比煤油高，所以比沖天生就比煤油大，再加上“全流量分級燃燒迴圈”的加持，就更加有優勢了。

猛禽發動機

馬斯克應該就是因為甲烷的這些優點才開發了猛禽發動機，至於說甲烷在其它星球比較容易獲取之類的話，估計是說給媒體聽的，畢竟對他來說賺錢才是第一要務。那麼相比於強大的猛禽，朱雀二號上的天鵲發動機又是個什麼水平呢？原來，無論是天鵲12還是天鵲11，採用的都是燃氣發生器迴圈，在工作方式上與猛禽還有很大差距。

作為民營航天公司，藍箭選擇燃氣發生器迴圈也是合理的，畢竟全流量分級燃燒迴圈的技術難度太大，研發週期也會很長，比較適合國家隊來搞，對民營公司來說不太現實。而燃氣發生器迴圈的技術難度低，也能利用甲烷燃料的優點，實現可重複使用。將來再在這個基礎上不斷改進，再做出更先進的發動機也不是沒有可能。

天鵲12試車

2019年5月17日，天鵲12發動機的20秒試車在浙江湖州圓滿成功，意味著中國民營企業首次掌握百噸級液體火箭發動機的全部關鍵技術。2019年7月，10噸級的天鵲11推力室650秒長程試車圓滿成功。2019年7月22日，天鵲12發動機100%推力試車取得成功，最長試車時間100秒。2022年8月，天鵲12A二次起動試車成功，表明其具備了重複使用能力。2022年10月，真空型的天鵲15A成功完成了首次全系統熱試車，試驗時長20秒。

天鵲12A二次起動試車

可見天鵲發動機的進展還是比較快的。但這次朱雀二號的首飛失利，確實是一個重大挫折，第一級的天鵲12工作十分正常，表明大推力的液氧甲烷發動機通過了實戰考驗。火箭一二級正常分離，整流罩也順利打開了，但在第二級發動機正常關機後，火箭還在持續掉高度，最終導致衛星未能入軌。

衛星未能入軌

看來朱雀二號和朱雀一號一樣，就差在了最後的臨門一腳上，十分可惜。而故障原因目前尚未公佈，有可能和二級的遊動發動機，即有4個推力室的天鵲11有關，因為二級主發動機關機後，衛星入軌最後靠的就是它。

天鵲11遊動發動機

航天之路永遠都不是平坦的，對於民營航天更是如此。馬斯克當年也經歷了許多次失敗，才搞出了獵鷹9號。希望藍箭能夠儘快找出原因，實現歸零，並再接再厲。畢竟國內的液氧甲烷發動機目前就屬他家最成熟了。