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？

俺乃小潜mg

如果把火箭比喻成一辆车，核心就是发动机。但是和汽车不一样，火箭发动机最关键的原件是油泵。
因为火箭消耗的燃料/氧化剂太多了，每秒几吨的水平，所以它的燃料泵都是几万马力起步的，而且这个燃料泵还不能太大，起码不能比汽车发动机大太多（航天飞机涡轮泵340公斤，7.5万马力）。所以火箭的燃料/氧化剂泵是整个火箭技术含量最高的地方，它依靠一个燃气涡轮发动机（预燃室）提供动力。
火箭的主发动机反而要简单的多，就是一个空腔（燃烧室），靠排出燃烧产生的气体产生推力。它的工作效率取决于排气速度，燃烧室压力越高，排气速度越大，火箭性能就越高。这也对燃料泵的性能提出了要求，燃料泵要把燃料挤进燃烧室，压力就要足够高，否则就倒流了。


发动机决定火箭性能，燃料泵决定发动机性能。同时发动机性能还受到循环方式的影响，循环方式越先进，燃料利用效率越高。
涡轮泵与主发动机共用同一罐燃料，早期的火箭比如V2导弹涡轮泵有独立的燃料来源。后来有了燃气发生器循环，抽出一部分燃料进入预燃室专门驱动涡轮泵，烧完直接排出体外。后来有了更先进的分级循环，预燃室烧完的废气会进入主发动机再烧一次。
而最为高级的原理是全流量分级循环，所有燃料都分别进入两个预燃室，分别驱动燃料和氧化剂两个涡轮泵，一边是富氧燃烧，一边是富燃燃烧，两边排出的废气混合后，在主燃烧室可以更充分地燃烧。，它的燃料供应速度必然是最高的，压力也是最大的，可以让主发动机做到更高的室压和推力，火箭的性能自然就上去了。


航天飞机发动机SSME已经有了两个预燃室和两个泵
而SPACEX的全流量循环发动机猛禽，得益于先进的燃料和原理，结构反而比老发动机更简单了


目前效率最高的燃料是氢氧，但氢气有一些很难解决的问题。富氧燃烧的意思是氧气过量，这时燃烧最充分，但如果用氢气做燃料会温度过高，参数太高了容易烧毁预燃室。
氢气还有一个讨厌的问题，液氢的温度太低了，会损坏燃料泵，而且它的低温给火箭其他部分也带来了危害，为了防止爆炸还要使用昂贵的氦气吹除。


一般认为美国航天在90年代停滞，其实他们是在实验比航天飞机更高级的垂直起降航天飞机，现在的带两个固体火箭助推器的航天飞机是这个“完全版航天飞机”的缩水版。波音麦道准备采用全流量分级燃烧循环氢氧发动机RS2100，而洛克希德的X-33航天飞机（正式型号尺寸更大，叫冒险星）准备采用科幻级的气动塞式线性火箭发动机（aerospike engine）。由于科幻发动机技术跨度太大，直到21世纪初还有大量问题没有解决，注定不能赶上2004年的首飞，NASA只好砍掉这个项目。
如图可见，塞式发动机与传统发动机的区别在于没有传统的喷管。


这样一来，就只能用煤油液氧了。煤油在很低的温度下就会结焦，堵塞管道造成爆炸，如果是一次性火箭，这个问题也不算严重，复用火箭就不好搞了。
美国人在土星五号后基本就放弃了煤油发动机，这是因为美国煤油含硫太高，而苏联有低硫石油，没遇到这个问题。美国人发现原因后，氢氧机已经很成熟了，所以煤油机主要是苏联人在搞，不巧的是苏联在关键时刻解体，这一摊就黄了。
猎鹰火箭是煤油液氧，而且是可复用的，但它为了回避煤油的各种缺陷，连分级燃烧循环都不敢用，直接退回了燃气发生器循环。


下一代发动机需要的燃料是，液化温度比液氢高（最好氧化剂和燃料沸点差不多），结焦温度比煤油高的多（当然最好是不含碳不结焦），最好这种燃料在常温下是气态的，方便汽化混合。所以就找到了甲烷。


甲烷受美国人青睐，可能还与NASA的火星计划有关，火星有二氧化碳，火箭只要携带氢元素就能合成甲烷，比从地球送燃料过去更合算。所以包括SPACEX在内都把甲烷火箭定为火星移民的工具。


知乎有个问题问为什么不用丁烷，我记得是因为甲烷的沸点与氧气很接近，无论是储存还是混合都很容易设计，而丁烷的沸点太高了。

haixian02

因为氢燃料超级贵，而且整备非常非常麻烦，氢氧发动机同样非常贵，比如长三乙的两台YF75就比一二级13台毒发加起来都贵。
当然，氢氧发动机可以通过实现重复使用来降低成本，然是氢燃料本身的特性决定了航天发射能不用氢氧机就别用。一个是液氢密度低，因此燃料罐体积就比相同质量的煤油、甲烷大上一圈，再加上液氢的超低温带来的保温问题还需要额外的保温结构，液氢-液氧的沸点温度差很大，导致液氢液氧燃料罐使用共底储箱的工艺难度很大，叠加起来的结果就是液氢火箭的干质比很低，能达到10就是工程极限了。还有就是液氢的蒸发问题，即便是存放在密封的容器中，氢气还是能够泄露出去，因此如果发射时间推迟，燃料罐中的液氢还要被抽出去，不能长时间待机；而且氢氧上面级在进行多次点火时，长时间待机造成的燃料损失也是设计阶段必须考虑的问题。
因此从性能优化和成本控制的角度出发都尽量避免在一级使用氢氧火箭（SLS这种不差钱的项目没啥代表性，作为超高价值载荷载人航天发射平台通过使用氢氧一级来减少一次分离、从而提高可靠性的思路还是正确的，无论是月球空间站舱段还是猎户座飞船及其乘客，其价值都是无可估量的；长五使用氢氧一级，一方面是为了未来的大推力氢氧机铺路、同时给北京11所一张饭票，同时长五B通过氢氧一级将成为航天飞机退役后运力最强的一级半运载工具）

nitenite

因为，液氢密度太低了，是水的1/14，结果是燃料罐的重量变得非常明显，这些重量都是烧不掉的死重。
并且液氢可以让液氧结冰，燃料罐还要专门划出一个空白区域做隔离。

yangjia

液氢，甲烷，煤油是液体火箭三种最好的燃料，不能相互取代。
液氢，低温，低密度，比冲大。
甲烷，低温，密度适中，比冲适中。
煤油，高温，密度略大，比冲略小。
液氢与煤油相比，低密度是缺点，不适合长征9，土星五。
煤油的积碳问题在大火箭就不存在了，下面级的那种大流量，换热时降低温度不存在工程难度。
甲烷相比看上有点鸡肋，其实不然，优点是比液氢高得多的密度，能做比煤油机小一点的重型火箭，与煤油机相比有一个当前很主流的可回收火箭！所谓的积碳问题煤油机的可靠性就可以打折扣了。
甲烷存量大，价格便宜。
总之，三种燃料不能互相取代，如果不是可回收式火箭的异军突起，甲烷机的也不会吸引研发，不用于可回收式火箭，甲烷燃料不要用的好，下面级的煤油机和上面级的液态机很好用了。。

毛当归搜

1.液氢，密度小、质量轻，但是罐体太大，储存困难，温度低容易使液氧冻结，环保、成本较高；
2.精炼煤油，成本较高，存在积炭问题、常温下是液体储存方便；
2.甲烷，成本低、基本不存在积炭问题、不会冻结液氧。