为什么已经有了高性能的氢氧火箭，人类还要开发甲烷火箭？

ihHXMlfZ

太空版“亚马逊”在贝索斯掌中迅速崛起！SpaceX劲敌蓝色起源拿下火箭发动机商业大单 「快讯」亚马逊老板贝佐斯的蓝色起源赢得五角大楼合同，为ULA的空军发射项目火箭提供发动机，240吨推力的BE-4。甲烷时代正式开幕就在眼前了！（SpaceX的BFR主发猛禽也是甲烷燃料，梅林是煤油）
作者：一点资讯

123456911

现在火箭普遍使用的主力燃料有四种，
表格摘自我的知乎电子书：离开地球表面：一小时读懂人类航天史


懒得读书的话我给你额外补充几点：
1.固体燃料只适用提供短期大推力（起飞阶段）、长期贮存随时应急情况，燃料是战备物资且非常昂贵，且比冲过低干不了大活，必须发展但不可能成为主力；
2.四氧化二氮/联氨性价比适中，但是剧毒且很昂贵，除了一些多次点火上面级情况，但其实目前技术冷燃料也可以实现了，总之是必须要淘汰掉的，不能因为单纯追求简单和可靠性不思进取；


======分隔下======


3.液氧煤油是现在第一性价比，但煤油燃烧容易积碳结焦，阻碍火箭多次回收使用。SpaceX的也是如此，但它的发动机也简单，稍微清理即可，再往后大推力的话不行（SpaceX在研的核心发动机是液氧甲烷的猛禽）；一次性火箭时代很好用，如今显然要改进；
4.液氧液氢比冲最高，但发动机设计难度太大，贮存燃料箱难度也大（液氢超级占地方，与液氧温度差距大还要隔热），导致火箭又胖又贵，最理想的是用它在第二级甚至更高即可，最大限度利用它排名第一的超大比冲，这是它目前无法被任何燃料火箭直接取代的最大优点，一定会长期作为必备燃料。因而主力第一级能换个性价比更高的最好。
比如说，史上第一火箭土星五号的组合堪称完美：一级液氧煤油做主力推出大气，二级和三级液氧液氢快速干活送更远。


而液氧甲烷火箭是介于液氧煤油和液氧液氢的完美选择，它的优点是：
1.比冲略高于液氧煤油（365左右，液氧煤油355左右）；
2.完全没有积碳结焦，维护很方便，发动机只要不烧坏基本无限用，是可回收火箭的最优选择；
3.液氧(-182)和甲烷(-162)的保存温度/沸点非常接近，难度低于液氧液氢(-253)；
4.甲烷的分子量为16，远高于氢的2，密度大很多，同等质量/能量燃料需求体积降低；
5.设计难度并不大，可以沿用液氧煤油发动机那一套成熟体系，难度也低于液氧液氢发动机；
6.总体上，它的发动机难度略高于液氧煤油，但总体上比液氧液氢简单，也很有可行性。
7.甲烷的制备难度并不高，且在其他星球上并不罕见，冥王星和土卫六上，那是深不见底的甲烷海啊。。。


下一代人类火箭，必然往可回收方向发展，单纯就上述优点的第二条就已经是很天大的优势。因而世界各国都在重点研发液氧甲烷，国家队方面，美中俄都在搞。
商业航天方面，SpaceX和蓝色起源的在研最核心发动机都是液氧甲烷，蓝色起源的BE4发动机还刚拿到了发射联盟ULA下一代火箭主力发动机合同，这是个很牛的成就。
可以说，这个时代不玩液氧甲烷火箭，是没啥前途的，尤其是对商业火箭公司。
（个人看法，仅供参考）


世界火箭家族一览

成哥337

前几天，亚马逊老板贝佐斯的液氧甲烷发动机BE-4拿了五角大楼合同，为ULA给美国空军发射项目的火箭提供发动机，真是激动人心。另一位更有名的航天创业明星埃隆马斯克的SpaceX下一代重型火箭BFR主发猛禽也同样选了液氧甲烷组合。
缩比猛禽
为啥人类有了强大的氢氧火箭，却在现在开始大力发展液氧甲烷了？
The absolut masterpiece
堪用的比冲

液体火箭燃料氧化剂组合比冲
火箭的推进效率也就是比冲定义为：每一公斤燃料产生一公斤推力的持续时间，单位为秒。而比冲跟喷气速度成线性相关。
液氧甲烷的比冲虽然低于优秀的氢氧组合，但是依旧比液氧煤油高出一些，使得这个燃料氧化剂组合有了实用价值。
氢气对工程学提出的挑战

液氢因为低温，造成了很多工程困难，如果液氢在管路中遇到空气，那空气会直接结冰而堵住管路。氢气的密度极低，分子极小。分子小导致别的气体无法渗透的地方，氢气可以，所以氢管路阀门都对设计制造提出了极高要求。另外氢气会渗入金属部件，造成氢脆问题，不再展开。
较低的甲烷燃料罐设计制造难度

因为氢气密度极低，氢氧火箭的氢气罐远比氧气罐要大。
航天飞机，注意燃料罐上部为氧气罐，下部为氢气罐
阿丽亚娜5号，GS子型号，主火箭中红球是氧气罐，蓝色是氢气罐
氢罐很大，但又很轻，对整体设计不是很友好。
相对于氢氧组合，甲烷的沸点远高于液氢，和液氧接近，分子又大，真是太友好啦！
SpaceX BFR主火箭燃料罐/氧气罐
液氧甲烷火箭的燃料罐和氧气罐差不多大，省了不少事呢。
较低的涡轮泵设计制造难度

一台火箭发动机的绝大部分设计成本和大部分制造成本都是它的涡轮泵，因为氢的密度太低，氢泵转数要求高，设计很困难。需要多级泵才能达到想要的燃烧室压力。
航天飞机主发SSME涡轮泵
SSME的高压氢泵，这么大的体积可以输出57兆瓦
甲烷火箭从燃料罐，到管路，再到涡轮泵，全都大幅降低了难度。其涡轮泵甚至一级就够了。
不易结焦

相比煤油火箭，液氧甲烷组合的发动机不易结焦。不光是提高燃气发生器温度，主燃烧室压力潜力更大。而且再次使用时，省了清理工作。
外星有储量丰富的甲烷

火星甲烷生成路线
咱们惦记着星际旅行，出了门没地方加油回不来了咋办。甲烷这个东西在外星不是个稀罕物，所以甲烷火箭到了火星，可以想办法加注火星产的甲烷再飞回来。当然别的有甲烷的星球也行。
较低的流体模拟设计难度

氢气分子


甲烷
RP-1的成分，就不画分子了
甲烷分子虽然比氢气复杂，但是比煤油分子简单多了。
氢氧燃烧全部反应
上图是氢氧燃烧的全部分反应，虽然初中化学氢氧燃烧简化到只有2H2+O2=2H2O，但是实际情况复杂很多。想象一下煤油燃烧的复杂程度，下图为煤油燃烧的简化反应。甲烷就简单得多了。这使得发动机设计，流体和燃烧模拟工作，降低了很多难度。
简化煤油燃烧反应，来自NASA的Ten-See Wang
肯定还有别的原因，想起来再来更新。所以这又是一个会经常更新的回答。
关于火箭发动机的扩展阅读：
卢西：从科幻走进现实的发动机——离子推进器卢西：穿行于地面与太空的动力——SABRE涡喷火箭变循环发动机有哪些航空航天上的事实，没有一定航空航天知识的人不会相信？火箭固态发动机的工作原理是怎样的？人造卫星本身有没有动力系统？广告：
卢西：如何看待波音将与巴航工业成立 47.5 亿美元合资企业，以瞄准空客-庞巴迪联盟？
卢西：空客 A380 算是一个失败的机型吗？
卢西：真正支持十字军东征的动力是什么？
卢西：权力的游戏这部剧有哪些熟识英语及西方文化的人才懂的梗？
卢西：历史上有哪些著名狠话？

xujiahui

1. 甲烷机在高室压工况下相比煤油机不积碳，性能提升更容易
2. 甲烷获取难度比液氢低，天然气提纯液化就行了
3. 甲烷发动机相对易于复用，设计难度比氢氧机低
4. 甲烷沸点（111.65K）远高于液氢沸点（20.37K），甚至比液氧沸点（90.188）还高，在储箱设计上难度比氢氧燃料低很多，也可以省去不少保温层的重量
5. 甲烷密度大约是0.42g/cm，远高于液氢的密度，可以省掉很多的结构重量

选用甲烷机综合来看是经济学问题，毕竟大家都喜欢多快好省的，甲烷恰好是个综合来看比较优秀的选择

星星糖SUNG

为什么你会产生LOX/LH2性能很强够用的错觉……
是时候再祭出这张图了


这张图表述的是，当今的部分运载火箭的二级最大速度和载荷质量/二级质量比值的关系


可以看到F9FT的二级在质量占比小到一定程度的时候，超越了当今的氢氧火箭……


氢氧的特点就是低干质比，高比冲。在轻质载荷的大速度发射中反而会被煤油吊打……氢氧火箭只能够适用低速度的大质量载荷发射


（LongMarch5的二级减重过于丢人，曲线非常丢人被F9FT全线超越就是了……）
另外低温推进剂无法长时间储存，所以世界上所有需要略长时间滞空的飞行任务，全部使用可储存推进剂。


而且大速度发射吃干质比的情况下，液氢更加没有优势
也就是说液氢推进剂本身就局限极大，更何况成本也高……


不指明需求和使用环境的讨论推进剂都是ZZ
梦醒了
再说，甲烷。


可以在异星补给
低燃气分子质量带来的更强大的比冲（真空发动机中比煤油提高至少300m/s的等效排气速度）
海星的推进剂密度
低氢碳比带来的燃烧室积碳更少


作为一个推进剂，甲烷还是属于类似于氢氧的一类。


对于大速度发射也没有什么优势，真要使用，还是需要特化的末级来完成……
：）
既然你们要扯密度，还有一点


先学习一下密度比冲，描述的是单位体积推进剂的比冲表现


可以看出来，这点上，LOX/CH4和当今的主流液体推进剂是比较接近的，不像是LOX/LH2为垫底水平


http://www.bilibili.com/read/cv1167677要扯效率我这边把发动机效率讲的清清楚楚


我就最后加两个图




目前世界上所有推进剂的发动机效率是同一级别的。再说最终发动机需要的是输出的动能，效率再低只要等效排气速度高都一样……
（甚至相同条件下，氢氧效率还不如固发……而且氢氧效率也不如其他液体推进剂……）