近日，中國航天領(lǐng)域迎來了一件具有重大意義的事件。由民營航天企業(yè)藍箭航天研發(fā)的朱雀三號可復用運載火箭，已然在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心蓄勢待發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)完成靜態(tài)點火試驗和整流罩安裝，完成各項測試以后，下一步就是擇機發(fā)射。

作為可重復使用運載火箭，在談及朱雀三號時，美國SpaceX公司的獵鷹九號運載火箭自然是難以回避的參照對象。然而，若深入探究便會發(fā)現(xiàn)，這兩款火箭在技術(shù)層面存在諸多差異。

朱雀三號優(yōu)勢

首先在核心的動力系統(tǒng)上，獵鷹九號運載火箭搭載的是9臺“梅林-1D“”液氧煤油發(fā)動機，這種發(fā)動機非常成熟，早在1957年蘇聯(lián)發(fā)射首顆人造地球衛(wèi)星時的R-7洲際導彈，搭載的就是РД-107/РД-108 液氧煤油發(fā)動機。

2002年SpaceX公司研發(fā)獵鷹火箭時，確定采用液氧煤油發(fā)動機方案，考慮到的就是這類發(fā)動機技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈成熟，并且搞來了NASA在上世紀90年代為發(fā)動機工程師培訓使用的教學發(fā)動機，以此為參考，縮短了研發(fā)周期。

朱雀三號搭載的是9臺天鵲-12B液氧甲烷發(fā)動機，甲烷就是我們熟知的天然氣的主要成份，是一種非常理想的火箭燃料。不僅燃燒后無污染，并且價格十分低廉，工業(yè)甲烷的價格為每千克5元，是同質(zhì)量煤油的三分之一。

液氧煤油發(fā)動機在工作過程中，高溫會將煤油中的長鏈烷烴變成石墨狀碳粒，與少量的硫、氮化合物相結(jié)合，就很容易形成硬焦的“積碳”，粘黏在燃燒室、噴注器、再生冷卻通道內(nèi)壁等區(qū)域，一旦清理不及時，會造成流道阻塞、冷卻效率下降、系統(tǒng)可靠性耦合下降等風險。

獵鷹九號每次回收以后，都需要拆下梅林發(fā)動機的燃氣發(fā)生器，對渦輪泵和噴注器進行機械+化學去焦，這些都需要大量的人力，光這一項工作平均就需要7-14天，是復飛最耗時的環(huán)節(jié)之一。

液氧甲烷發(fā)動機在化學特性上，燃燒后的產(chǎn)物主要是二氧化碳和水蒸氣，自然是不容易產(chǎn)生積碳，回收后只需對內(nèi)腔進行吹除和檢查，理論上24小時就能完成復飛檢查，是最為理想的可復用運載火箭的燃料。

不過液氧甲烷發(fā)動機也存在低溫相變、容易產(chǎn)生爆震、燃燒效率下降等晚點，困擾了各國的航天機構(gòu)多年，直到2023年7月12日發(fā)射的朱雀二號運載火箭，才實現(xiàn)了人類首個軌道級發(fā)射的液氧甲烷運載火箭，其使用的便是天鵲系列發(fā)動機。

其次在箭體設計上，朱雀三號大量采用不銹鋼作為材料，包括推進劑貯箱、外殼、級間段到著陸機構(gòu)均使用不銹鋼，形成“全不銹鋼主結(jié)構(gòu)”方案，是國內(nèi)首款實現(xiàn)不銹鋼液體運載火箭型號。材料成本不到獵鷹九號上使用的鋁鋰合金的三分之一。

朱雀三號劣勢

盡管液氧甲烷相較于液氧煤油在理論真空比沖上略高3%，但是在密度比沖上卻落后，通俗講就是相同體積燃料的情況下，液氧煤油的勁更大，高出了約20%。再加上不銹鋼箭體的自重更大，雖然通過加工壁厚減薄 15%，但朱雀三號一級的干重仍然比獵鷹九號運載火箭重了約15～20噸。

換句話說，發(fā)射相同的載荷，朱雀三號需要搭載比獵鷹九號更多的燃料。這就是為什么朱雀三號的箭體直徑為4.5米，而獵鷹九號為3.7米，目的是為了攜帶更多的燃料，箭體高度下降也是為了平衡火箭的重心。

以近地軌道回收任務舉例，獵鷹九號發(fā)射17.5噸的載荷，需要加注410噸推進劑。朱雀三號發(fā)射18.3噸的載荷，需要加注520噸推進劑。不過即便如此，綜合其他方面的成本，一旦成功，朱雀三號仍然能實現(xiàn)比獵鷹九號更低的發(fā)射成本。

在起飛推力上，朱雀三號為900噸，獵鷹九號為776噸，朱雀三號也成為了我國現(xiàn)役推力最大的“光桿構(gòu)型”（無助推器）運載火箭，遠高于國家隊比較老的長征二號丙、長征四號這類光桿構(gòu)型的296噸。

后續(xù)能超越的是天兵科技的天龍三號運載火箭，那款采用的是類似獵鷹九號的液氧煤油方案，9臺“天火-12”液氧煤油發(fā)動機并聯(lián)，最大可以產(chǎn)生1102噸的推力，運載能力與最新的獵鷹九號 Block 5基本持平。

總結(jié)

整體而言，朱雀三號采用液氧甲烷+不銹鋼箭體的設計，兼顧了成本和運力，是目前可回收運載火箭最理想的方案，這也是為什么這次朱雀三號的發(fā)射，引發(fā)了國際航天的高度關(guān)注。

但這也不代表獵鷹九號火箭就落后，它采用的方案是基于當時的技術(shù)、成本和風險下的最優(yōu)解，并且SpaceX也在不斷改進，不斷降低獵鷹九號的發(fā)射成本。

更為重要的是獵鷹九號已經(jīng)累計發(fā)射了近950次，將1800噸的載荷送入太空，成功率和可靠性都是目前其他運載火箭無法比擬的。

當然我國也具備后發(fā)優(yōu)勢，有不同的單位、企業(yè)采用不同的技術(shù)路線，在可重復使用運載火箭這一領(lǐng)域持續(xù)探索。

除了朱雀三號、天龍三號、力箭二號、雙曲線三號等民營企業(yè)研發(fā)的運載火箭以外，國家隊內(nèi)部還有長征六號、長征八號R等型號，包括最新的載人登月火箭長征十號，也將在年底進行一子級的回收技術(shù)驗證。

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