朱雀二號!全球首枚準備發射入軌的甲烷火箭:中國版SpaceX正起飛

朱雀二號已經矗立在酒泉衛星發射中心的

96號工位

上,預計將於12月10日

8:22~10:44一飛沖天,如果發射成功,它將成為首枚成功入軌的純甲烷燃料火箭,而且值得一提的是,朱雀二號還是第一枚嘗試發射的純甲烷火箭!

朱雀二號!全球首枚準備發射入軌的甲烷火箭:中國版SpaceX正起飛

朱雀二號:怎麼就意外的拿到了“第一”?

朱雀二號遙二運載火箭是藍箭航天(LAND SPACE)設計製造的第二款運載火箭,第一款火箭是固體燃料作為推進劑的朱雀一號,2018年10月27日首發,但由於第三級出現問題,有效載荷未能進入軌道。

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朱雀二號是一枚

兩級低溫液體運載火箭,箭體直徑為3。35米,火箭總長49。5米,起飛質量219噸,起飛推力268噸,200公里軌道載荷為4噸。看得到這個尺寸估計大家就知道,這枚火箭的發射場會在內陸,這個尺寸與載人飛船發射的CZ-2F火箭一樣,為的是可以透過鐵路運輸過隧洞。

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朱雀二號的一級火箭是4臺745千牛的TQ-12液氧甲烷發動機,二級發動機為一臺真空最佳化版的TQ-12發動機,這種佈置相當於一枚火箭只用一臺發動機,大大降低了火箭的維護複雜度。

TQ-12發動機:原理?

TQ-12使用的燃料是液氧和甲烷,其發動機為燃氣發生器迴圈,很多朋友可能無法理解這所謂的迴圈,下文簡單介紹下:

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所謂的迴圈就是讓燃料和氧化劑壓入火箭發動機燃燒室的一種方式,我們知道,火箭燃燒室是一個噴出高溫高壓火焰,經過尾噴管擴充套件噴入外界,其反作用力讓火箭獲得動力飛越大氣層飛向太空,這個燃燒室壓力越高,發動機的噴氣速度就越高,燃料利用率也就越高。

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因此需要一種方式將液體燃料“壓入”燃燒室,常見的方式就是用高壓氣體或者電動或者燃氣泵或者膨脹迴圈泵等方式,高壓氣體和電泵等都比較好理解,但燃氣泵和膨脹迴圈泵是啥意思?

TQ-12:燃氣發生器迴圈

這個迴圈最容易理解了,就是將液氧和液態甲烷先送到一個高溫渦輪室中燃燒,推動渦輪帶動燃料和氧化劑泵工作將這些液體注入高壓的燃燒室。

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而燃氣發生器迴圈(開式迴圈)則是,這些高溫渦輪中燃燒過的燃氣直接就排出外界,由於發動機的設計者為避免高溫渦輪的溫度過高,一般會工作在富氧或者富燃狀態,造成能氧化劑或者燃料大量浪費,因此這種迴圈的發動機比衝相對會略低一點。

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開式迴圈的梅林發動機(獵鷹-9火箭)

但它也有一個好處,從這個高溫燃氣渦輪排出的氣體速度挺高的,可以作為一個小火箭使用,如果讓其擺動起來,就可以控制火箭的姿態,不過從朱雀二號的火箭底部結構來看,似乎沒有這個操作。

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這個燃氣發生器排出的氣體如果將其重新注入火箭發動機,那麼燃氣發生器迴圈就變成了分級燃燒迴圈(閉式迴圈)!如果用火箭發動機的廢熱來加熱低溫燃料,讓其膨脹後推動渦輪,再帶動渦輪泵工作將燃料注入燃燒室的就是膨脹迴圈。

TQ-12:可回收變推力發動機

這臺燃氣發生器迴圈的液氧甲烷火箭的引數如下:

一級TQ-12:海平面推力

658

千牛

二級TQ-12:海平面推力:

745

千牛、真空推力:

785

千牛;

室壓:10。1兆帕;

比衝:海平面284。5秒,真空337秒;

目前甲烷發動機的火箭不多,SpaceX的猛禽發動機是液氧甲烷全流量分級燃燒迴圈,那個指數就比較高了,這臺效能比較一般,不過各位別小看了這臺發動機,它的推力是

50%~110%範圍內可調的。

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這個需求是為了可回收準備的,目前全球航天界在SpaceX的帶領下已經全面轉向可回收火箭,但火箭回收並不是一件容易的事,除了在結構上要符合可回收設計以外,還要在推力以及燃料上向可回收“靠攏”。

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火箭從起飛到到分離再到控制軌跡再到換換降落,推力條件會變化很多,一級火箭分離前會“全力”推進,但分離後變成了“空載”,如果火箭推力不可調,一開發動機火箭就飛走了,根本就無法降落,因此推力可調是可回收火箭的必經之路。

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液氧煤油額尾流

另一個則是燃料選擇,目前最經濟、最普遍的燃料是液氧煤油,但可回收火箭很少甚至不選擇這種燃料,原因是這種燃料容易積碳和結焦,積碳會產生在高溫渦輪側,結焦會發生再生冷卻的經過發動機的噴管的燃料管內,前者問題還不是很嚴重,後者問題更麻煩,搞不好還可能導致管路堵塞火箭爆炸。

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甲烷含碳量比煤油要低,所以不容易積碳和結焦,當然液氫液氧也沒有這問題,但液氫密度太低了,只有煤油的10%,而液態甲烷至少還有50%,因此從體積考慮,液態甲烷也比液氫要優秀一些。

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目前全球都在研發液氧甲烷火箭,比如SpaceX的猛禽發動機就是,這臺發動機的燃料也是液氧甲烷,不過是全流量分級燃燒迴圈,室壓高達25MPa,海平面比衝達到了330S,不過它是給星艦用的,雖然已經“試車”N次,但卻還沒有打算“發射上天”,所以這個第一就被朱雀的TQ-12給搶到了。

朱雀二號火箭:成本控制相當優秀

美國洛馬和波音的聯合發射聯盟為美國政府提供發射服務,每千克費用是1。4萬到2萬美元。紐西蘭的電子火箭每千克約3。7萬美元。中國科工集團的“快舟1號”每千克3萬美元左右。印度PSLV(極地衛星運載火箭)最便宜,每千克不到2萬美元。

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藍箭航天的“朱雀2號”,發射成本會比規模相當的印度PSLV低30%,在未來的發射市場,“朱雀二號”的優勢相當大。

藍箭航天:民營航天企業

2014年底,國家發改委 (NDRC) 通過了“60號檔案”,允許對航天領域的某些部分進行投資。這催生了“第一代”中國商業航天公司,其實

胡振宇的

LinkSpace

“翎客航天”比這份檔案還早了大半年,翎客航天絕對是這個領域當仁不讓的開拓者,之後就是

Landspace(藍箭航天)和OneSpace(

零壹空間

)。

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標誌性的事件發生在2016年12月27日,

國防科工局釋出《2016年國防科工局軍民融合專項行動計劃》,第26條如下:“推動軍工技術向民用領域轉化,論證支援一批軍工高技術產業化專案……積極推動設立國防科技工業軍民融合產業投資基金。”

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這表示不僅允許私營航天企業,而且還將政策扶持,之後中國的民營航天企業接二連三的誕生,比如

i-Space(星際榮耀)、和 Galactic-Energy(星河動力)以及

深藍航天、星途探索和九州雲箭

等多家發射公司。

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民營航天發射起步大都是固體燃料火箭,雖然門檻比較低,但比衝也低,載荷不高,未來的商業航天必須是液體火箭。在這幾家公司中,藍箭航天是最早

招聘“科班出身”的發動機團隊的,2017年1月,藍箭航天已經簽下國內民營火箭發射服務第一單,而藍箭航天在湖州的工廠也早在2018年投產,國內最早研發液氧甲烷發動機的私營企業是藍箭航天和星際榮耀兩家公司。

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星際榮耀的液氧甲烷發動機已經長程試車,

2020年5月19日,星際榮耀焦點一號(下稱“JD-1”)可重複使用液氧甲烷發動機順利完成全系統額定工況200秒長程試車,不過JD-1的推力只有15噸,作為上面級沒有問題,但作為一級火箭發動機還是有些推力不夠,相比之下,就民營航天企業來說

藍箭航天的TQ-12應該是國內首屈一指了

朱雀二號!全球首枚準備發射入軌的甲烷火箭:中國版SpaceX正起飛

有人將國內私營航天企業比作中國版SpaceX,與美國民營航天在2000年初(藍色起源)成立相比,我們已經大大落後,但對於國內蓬勃發展的衛星發射市場完全是一片藍海,中國民營航天有足夠的動力來發展壯大,筆者也希望他們都能早日成長為國際知名的發射公司。