小火箭出品
本文作者：邢强博士
准备进行测试发射的一枚V-2导弹。地面保障人员借助云梯爬到高处，对V-2导弹的设备进行调试。
作为人类弹道导弹的开山之作，V-2导弹使用了3.81吨的酒精（严格来说，是3.81吨75%的酒精与25%的水的混合物）为燃料，氧化剂则为4.91吨的液氧。
V-2导弹的火箭发动机的整体结构条块清晰，燃烧室、管线、传力部件一目了然。中间那根长管子是干什么用的？别急，小火箭把V-2的火箭发动机的其他主要部件也都说一下：
换到这个角度来看，更清楚一些。上图的标注中，
1为酒精泵
；
2为液氧泵
；
3是涡轮
；
4是高压气体进口
。
5是高压气体出口。高压气体从涡轮中出来之后，经过一段粗壮的弯管之后，就到了热交换器那里。在热交换器中完成任务的高压气体通过7号管路排出导弹。上上图那个长管子就是排气用的。这股气驱动了涡轮泵，流经了热交换器，对于V-2的发动机来说，至关重要。
8是一堆气瓶。这是V-2导弹纯净高压气体的部分来源。这些气瓶里面储存的是高压氮气。不过，真正驱动涡轮泵的是由化学反应产生的气体，见下文详述。
V-2导弹的火箭发动机系统中的热交换器
里面长什么样？又有什么用途呢？上图便是把7号排气管拆下来之后，从下往上看热交换器内部结构的样子。
-183℃的液氧经过里面的细管，与细管外的热气体进行热量交换后，形成高压。该压力经管路通给液氧贮箱，形成一股持续不断地将液氧向燃烧室推挤的力量。这股力量在经过涡轮泵的进一步推动之后，最终使得液氧在18个喷注器，共2160个喷注孔中，形成雾化液氧液滴，与周围的酒精喷流充分混合。
再换一个角度来看。9号罐子里存放的是浓度为
66%的高锰酸钠溶液
，在与
过氧化氢
的反应中，与10号气体发生器中产生高压气体，这是V-2导弹的另一个可靠高压气源。
蓝色管线输送液氧，红色管线输送酒精，上面那个黄色的大罐子，是过氧化氢贮箱。
二战期间，正在进行吊装测试的V-2导弹原型弹。这枚起着原理样机作用的导弹为后续的发展提供了支撑。此时，这枚弹还没有加注燃料，也没有放入弹头，重量为2.78吨。（只有壳体和发动机）
公元1965年11月26日，协调世界时上午9点52分，法国钻石A型火箭搭载着法国的第一颗人造地球卫星阿斯特克斯号升空。这枚火箭是人类较早使用偏二甲肼/四氧化二氮燃料常温液体推进剂的运载火箭。
美国的大力神洲际弹道导弹使用混肼50为燃料，用四氧化二氮作为氧化剂。
在《RD-170：世界上推力最大的液体火箭发动机》和《F-1:史上最强的单燃烧室液体火箭发动机》两篇文章中，小火箭分别介绍了苏联和美国有史以来最强的液体火箭发动机。这两款液氧煤油火箭发动机给我们留下了深刻印象，同时也在小火箭技术讨论沙龙活动中，对煤油的含硫量以及大型火箭发动机燃烧稳定性的问题进行了深入探讨。
以航天飞机主发动机为代表的液氢液氧火箭发动机成为了上世纪80年代火箭发动机技术的代表。
氢气是宇宙中的已知气体里密度最小的，氢气的体积是同等重量空气的14倍，要想让火箭带上充足的氢气上天，将氢气液化几乎是个必然选择。总不能让火箭带着硕大无比的氢气囊发射吧。（室温下的氢气是同等重量的液氢的840倍，想象一下体积变大800多倍之后的火箭！）但是，液氢极低的温度又会导致空气在里面冻成冰块。怎样解决这个矛盾呢？
技术人员想到的办法是：把空气吹走。上世纪50年代，在普惠公司和马绍尔飞行测试中心的共同努力下，美国人研制出了他们的第一台液氢液氧发动机——RL-10。
为了避免燃料管路中出现恼人的冰块（搞不好是会要人命的），他们琢磨出了一整套把空气从火箭储箱中赶出去的方法：在地面上，用氮气把储罐吹一遍，使储罐中充满氮气，这样即使出现冰块，也不至于发生爆炸。然后，用高纯度的氦气把氮气吹走。因为氦气的凝固点是272.2℃，比液氢的沸点低了将近20℃，因此氦气是不会在液氢中冻住的。
另外，氦气是惰性气体，懒得和氢气发生什么瓜葛，残存的氦气会随着发动机的燃气排出。为了保证在火箭上升的过程中不会出现液氢吸收空气中的氧气的情况，技术人员给使用RL-10发动机的火箭搭配了装有高压氦气的罐子。在火箭中的液氢燃料进入燃烧室之前，一直会有一股强大的氦气流吹过液氢箱、推进剂输送管道、燃料泵、发动机冷却排气管和燃烧室，保证液氢一路上不会与空气发生接触。
RL-10火箭发动机的改进版在多种运载器上得到了应用，土星一号火箭的第二级使用6台，半人马座火箭的上面级使用2台，德尔塔-4运载火箭上面级使用2台。这些火箭的发射成功率都不低，可见这种液氢液氧发动机的可靠性经过了实践的考验。在NASA最新提出的重返月球的计划中，RL-10发动机有可能继续被启用，用来为登月舱提供稳定可靠的动力。
1988年2月25日，大地近程弹道导弹研制成功。
而印度的大地弹道导弹的液体火箭燃料则采用了一个比较罕见的燃料配方：50%的二甲代苯胺与50%的三乙胺混合之后的产物。
到21世纪，液氧甲烷发动机越来越受到重视。
长期以来，人类的火箭工程师卯足了劲研究基于偏二甲肼/四氧化二氮、液氧煤油和液氢液氧这三类液体火箭推进剂的发动机。
偏二甲肼/四氧化二氮是有毒燃料，但是因为一接触就能燃烧，发动机设计起来相对简单，而且能够在常温状态下比较方便地管理和贮存，因此较早被采用。而液氧煤油尤其是液氢液氧组合属于低温推进剂，其技术门槛就高多了。
那么，有没有液氧甲烷的组合呢？
有的！
如今，液氧甲烷发动机的真正优势终于被世人所知：
这一年，美国的火箭工程师们总结了6年来对液氧甲烷和液氧乙烷、液氧丙烷、液氧煤油、液氧液氢这5种液体推进剂的试验结果，得出了以下结论：
第一：液氧甲烷发动机是所有烃类燃料组合中，最不容易结焦的；
第二：甲烷的粘度小，冷却性能远高于煤油；
第三：液氧甲烷发动机的理论比冲为390.3秒，高于液氧煤油的377.5秒；
第四：液氧甲烷发动机是所有烃类组合中，最不容易积碳的。
火星大气中95%的成分是二氧化碳，而火星土壤中有水，通过上图这样的化学反应，能够制备出氧气和甲烷。
而她们，刚好分别是液氧甲烷火箭发动机所用的氧化剂和燃料。
因此，载人登陆火星的任务使得液氧甲烷发动机会在未来成为重要的发展方向。
目前人类所发现的最大甲烷湖叫做克拉肯海，位于泰坦星（土卫六）的北极区域，另外一个较大的甲烷湖被称作安大略湖，位于泰坦星的南极区域附近 :)
因此，如果去泰坦星，恰好乘坐的是液氧甲烷发动机火箭的话，整湖整湖的都是燃料啊！
猛禽
说了液氧甲烷发动机的这么多好处，那么，现在有哪些企业在大力发展液氧甲烷发动机呢？
首先，就是SpaceX公司了。上图为SpaceX公司的新一代运输系统的概念图。按设计，该系统使用的就是液氧甲烷发动机。
猛禽液氧甲烷发动机项目从2009年立项，到2015年，研制成功，出厂。
2016年1月份，美国空军对液氧甲烷发动机技术表现出了浓厚的兴趣，给SpaceX公司注资3360万美元，要求入股猛禽液氧甲烷发动机项目。
SpaceX在该项目中的投入估值为6730万美元，基本上保证了商业航天企业与美国军方的投入比例为2:1。
2016年9月25日，在美国德克萨斯州，猛禽液氧甲烷火箭发动机首次点火成功。这款海平面比冲330秒，真空比冲375秒，真空推力高达1900千牛（是现役梅林1D液氧煤油发动机最大推力的2.08倍）的发动机将会成为SpaceX公司星际航行任务的动力来源。
BE-4
2017年3月6日，美国蓝色起源公司的首台液氧甲烷发动机出厂。
这是蓝色起源公司BE-4液氧甲烷发动机的零部件拆解合影。
蓝色起源的新谢泼德火箭使用的是BE-3液氢液氧火箭发动机。随着BE-4液氧甲烷发动机研制测试进度的加快，不久的将来，我们应该就能够看到使用BE-4发动机的新型火箭升空。
虽然蓝色起源公司比起SpaceX公司要低调了不少，但是其液氧甲烷发动机BE-4则悄悄地进入了小批量生产阶段。
这是美国蓝色起源公司的BE-4液氧甲烷发动机正在进行地面试车的场景。
凤凰
实际上，不仅美国的SpaceX公司和蓝色起源公司在紧锣密鼓地进行液氧甲烷发动机的研发和生产，中国的蓝箭空间科技公司也在进行液氧甲烷发动机的研制。
上图为蓝箭公司的PNX-1凤凰液氧甲烷发动机三维设计图。
2017年12月14日，蓝箭自主研发的10吨级液氧甲烷火箭发动机凤凰的燃气发生器成功进行了首轮点火试验。
燃气发生器是泵压式液体火箭发动机中的关键部件，甚至可以说，燃气发生器是液体火箭发动机的动力之源。
期待中国蓝箭的液氧甲烷发动机在此次燃气发生器成功点火试验之后，能够更加快速和顺利地实现整台发动机的首次成功地面试车。
本文，小火箭和大家一起回顾了小火箭液体火箭发动机系列第1季的文章。然后共同探讨了液氧甲烷发动机的优势：冷却性能好、燃气发生器效率高、不易结焦、比冲通常要高于液氧煤油发动机。而单位质量的甲烷燃料的成本只有煤油的三分之一，不到液氢的三十分之一。
在新的时代，液氧甲烷发动机拥有了能够得以快速发展的3大因素：
第一，可重复使用运载火箭的兴起使得在所有烃类燃料中积碳最少的液氧甲烷发动机得到了极大地重视；
第二，深空探测超远距离太空航行对可长期贮存液体火箭燃料的需求使得热管理方面拥有优势的液氧甲烷发动机拥有较大的发展潜力；
第三，火星、泰坦星的探测任务使得液氧甲烷发动机拥有独特的优势（燃料可以在当地制备或提炼）。
然后，小火箭介绍了美国SpaceX的猛禽、美国蓝色起源的BE-4和中国蓝箭的凤凰3款由商业航天企业研制的液氧甲烷发动机的发展进度。
愿液氧甲烷这种含碳推进剂中最优秀的组合带着我们碳基生命的荣耀，奔向更加深邃的空间！
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