“人族一号”运载火箭首飞
北京时间年3月23日11:25,“人族一号”运载火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角太空军基地的LC-16工位发射升空，二级发动机虽然成功点火但未能正常工作，发射失败。此次发射是世界液氧甲烷火箭的第2次入轨尝试，在此之后，“星舰”和“火神”将先后于4月和5月挑战入轨首飞，紧接着“朱雀二号”将2度挑战首次成功入轨，世界液氧甲烷火箭迎来收获期。
为什么是甲烷？清洁推进剂。甲烷是一种有机化合物，分子式是CH4，是含碳量最小、含氢量最大的烃。甲烷在自然界的分布很广，是天然气、沼气、坑气等的主要成分，俗称瓦斯。作为燃料，甲烷在氧气中燃烧的产物是二氧化碳和水，是一种清洁燃料，对于运载火箭而言也是一种清洁燃烧剂。
能量密度尚佳。在用作火箭燃烧剂时，气态甲烷首先需要进行液化，液态甲烷的沸点温度为-.5摄氏度，密度约为0.42千克/立方分米（0.42吨/立方米），密度远高于液氢的0.千克/立方分米，低于RP-1煤油的0.81千克/立方分米，体积能量密度适中，装载相同质量推进剂贮箱大于煤油，远小于液氢。液氧甲烷发动机的混合比（氧化剂和燃烧剂的流量之比）是3.7，即1克甲烷要搭配3.7克液氧，这略高于液氧煤油发动机的2.7，远低于液氢液氧发动机的6，液氧的密度为1.千克/立方分米，在配备相同质量燃烧剂的情况下，液氧甲烷火箭的体积是液氧煤油火箭的%，是液氢液氧火箭体积的29%。
一般航空煤油的质量能量密度（比能量）为41.84~42.89兆焦/千克（MJ/Kg），液氢的质量能量密度约为兆焦/千克，液态甲烷的质量能量密度是50兆焦/千克，液态甲烷的比能量是煤油的%、液氢的42%，比能量适中。在此基础上，液氧甲烷发动机的比冲也适中，理论比冲为秒，高于液氧煤油发动机的秒，低于液氢液氧发动机的秒。
成本极低。在目前主流的推进剂当中，液氢的生产成本是最高的，单位生产成本达到元/千克，其次是煤油，单位生产成本超过10元/千克，而液态甲烷的生产成本最低，仅有5元/千克。相较而言，液态甲烷的单位生产成本不到煤油的1/2，仅有液氢的1/。（注：液氢、煤油、液态甲烷单位生产成本为我国年及以前的数据，同时具体成本世界各国区别明显）。
更适于共底贮箱。在液氢/液氧、液氧/煤油、液氧/液态甲烷3组双组元推进剂当中，液氧/液态甲烷是燃烧剂和氧化剂温差最小的一组，其中液态甲烷的沸点是-.5度，液氧的沸点是-.96度，温区相近，温差仅有21.46度，设计使用共底贮箱相对简单。相反，液氢/液氧推进剂中，液氢的沸点达到-.78度，比液氧-.65度的凝点还低30.13度，液氧/煤油推进剂中，煤油的凝固点是-47度，液氧沸点比其低.96度，对于采用这两组推进剂的火箭而言，需要使用绝热共底贮箱，生产工艺复杂、质量控制严格，还会增加火箭高度。
“双曲线二号”共底贮箱
更利于回收复用。随着人类进入太空的规模不断扩大，实现运载火箭的回收复用已经势在必行。目前，太空探索公司（SpaceX）的“猎鹰九号”和“重型猎鹰”已经实现了芯一级、助推器、整流罩的多次回收复用，该系列火箭使用的是液氧煤油推进剂，发动机会存在明显的结焦和积炭的问题，这为多次回收复用带来了明显的障碍，而如果将推进剂换成液氧甲烷，问题就会迎刃而解。甲烷是单碳原子的低密度碳氢化合物，兼具氢和煤油的部分优点，比热高、黏度小、结焦极限温度高（度），基本无结焦和积碳的问题，是目前仅次于液氢的再生冷却剂或膨胀循环冷却剂。正是看中液态甲烷相对于煤油优势，太空探索的下一代运载火箭“星舰”才选择了液氧甲烷推进剂。
“人族一号”（左）和“人族R”
更适合深空探测。随着航天探测的不断深入，人类正在走向更大规模的深空探测，对于依然处于化学推进剂时代的航天器而言就需要在比较中选择更适合深空探测的推进剂。在深空探测飞行及着陆探测中，航天器会经历较大的高低温交变，比如月球表面高温可达约+度，低温低至–度；火星表面高温为+20度，低温低至-度，这些低温状况，对于煤油而言温度太低，对于液氢而言温度太高，而对于液态甲烷而言更合适。液态甲烷的凝固点是-.5度，液氧的凝固点是-.65度，在进行隔热设计的情况下能够充分利用并适应火表和月表的低温环境。
星舰
实现地外开矿。在人类目前的深空探测中，大部分是单程探测，“有去无回”，而探测走向深入必然需要实现往返探测，“有去有回”。对于规模有限的探测而言，可以通过航天器自身携带的推进剂实现往返，但是返回质量较小，成本较高，如果要现实大规模的往返探测，在化学能发动机为主动力的背景下必然需要在地外天体进行“加油”，实现资源的原位利用。
以火星为例，火星大气中存在大量的二氧化碳，通过萨巴蒂尔(Sabatier)反应（一种将二氧化碳转化为燃料的化学过程），在加~度高温和催化剂的条件下，让二氧化碳和氢气产生反应，生成甲烷和水，其中甲烷可以用作航天器推进剂，氧气可以供应人类生存。这当中，催化剂可用石墨烯，高温可以通过电热和光热实现，氢气可以通过电解火星上的水实现。
此外，“卡西尼惠更斯号”土星探测器在土星最大的卫星——土卫六上已有惊人发射，其表面存在大量以甲烷为首的液态碳氢化合物的湖泊和海洋，有甲烷大气循环，会下甲烷雨。而“新视野号”冥王星探测器也发现冥王星的斯普尼克平原中富集固态甲烷。
陨石坑冰湖(利用数字地形模型和“火星快车号”探测数据合成，图源：ESA)
谁将成为世界第一型入轨液氧甲烷火箭？年12月，中国蓝箭航天的“朱雀二号”挑战世界液氧甲烷火箭的入轨首飞，最终由于二级游机故障与成功失之交臂。到了年3月，美国相对论公司的“人族一号”挑战成为世界第一型成功入轨的液氧甲烷火箭，二级点火即异常，离成功还有很远距离，但也并不意外，相对论公司对于世界第一型3D打印火箭“人族一号”的首飞期待只有成功度过MAX-Q（最大动压）。
“朱雀二号”遥一
接下来，太空探索公司的“星舰”将于4月挑战首飞，不过鉴于新技术比重太高，马斯克表示不炸台即成功，其入轨首飞成功的概率很低。此后，“火神”将于5月执行首飞，不过由于该火箭一再因发动机推迟首飞时间，其如期实现首飞的概率也不是很高。那么，机会就又转到了“朱雀二号”身上，目前该火箭已经完成首飞任务的归零工作，第二发火箭已经在有序准备当中，计划今年实现发射。如此一来，经过实践之后的改造提升，“朱雀二号”依然最有机会成为世界第一型成功入轨的液氧甲烷火箭。
作者：大白高国
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