在人类制造的所有机器中，运载火箭可能是运转起来最震撼人心的。火箭发动机点火之后，瞬间喷发出炽热的火焰，发出雷鸣般的巨响，让方圆数公里之内的大地都为之颤动。事实上，在人类学会如何用火之后，火箭发动机的发明大概是我们玩火的极致。

目前主流的火箭发动机有两种：液体火箭发动机和固体火箭发动机，它们的具体区别是什么，各有哪些优缺点？今天，「哈工创投」整理并分享关于火箭发动机的深度科普，帮助大家了解火箭发动机的类别、功能、特点和优劣势，一起揭开火箭发动机的神秘面纱！

一：火箭的起源和核心

火箭的起源

利用火箭探索宇宙，在很久以前就是人类的梦想。传说人类最早的飞天尝试发生在中国，明朝的万户（“万户”为官职）把47个自制的火箭绑在椅子上，自己坐在椅子上，双手举着大风筝，想利用火箭的推力，飞上天空，然后利用风筝平稳着陆。不幸火箭爆炸，万户也为此献出了生命。

▲西昌卫星发射基地的“万户飞天”雕像

真正的近代火箭的出现是在第二次世界大战时的德国。年10月3日，德国首次成功地发射了人类历史上第一枚弹道导弹——V-2，V-2是单级液体火箭，全长14米，质量为13吨，飞行高度85公里，飞行距离公里，其动力系统选用液氧/酒精液体火箭发动机，推力可达26.5吨。V2火箭的发射成功，把航天先驱者的理论变成现实，是现代火箭技术发展史的重要一页。

▲V-2火箭，来源于网络

火箭的核心

火箭的核心关键是发动机，火箭发动机就是利用冲量原理，自带推进剂、不依赖外界空气的喷气发动机。基本原理是燃料在火箭发动机内转化为工质（工作介质）的动能，形成高速射流排出而产生动力。绝大多数运载工具的核心均是发动机，但相对汽车轮船发动机，火箭发动机的应用难度有其特殊性。因为，航天领域对推力与爆发力的特殊需求，是别的工程领域很难见到的。

世界上最大的火箭是年阿波罗登月所使用的火箭土星五号，其高达米，比自由女神像高18米；起飞全重达吨，大约是辆奥迪A6汽车的重量。想驱动这么一个庞然大物，自然对发动机有着极高的要求。

▲土星五号火箭，来源于网络

土星五号的一级火箭由5台巨大的F-1液氧煤油发动机组成，F-1液氧煤油发动机是世界上推力最强的单燃烧室发动机，每台F-1发动机可输出约吨推力，而其干重只有8.3吨。

F-1液氧煤油发动机每秒都消耗kg液氧和kg煤油。整个土星五号每秒的推进剂流量可达升，在8.9秒内清空一个容量11万升的游泳池。

▲F-1发动机点火测试，来源于网络

实际上，仅仅推力强、爆发力强还不够，火箭发动机必须经得起高温和低温的考验，还要承受住高强度的流量冲击。

最重要的，发动机还一定要有绝对的稳定性，一枚火箭动辄造价数亿元，加上搭载的昂贵航天器，一旦失败必定损失惨重。

二：火箭发动机种类

发展航天，动力先行。如果说火箭承载的是夸父逐日的梦想，那么发动机就是夸父的双腿。现代科技让人们拥有了自远古以来便无比憧憬的一飞冲天的能力，这种能力的背后推动者是各式各样的火箭发动机。

火箭发动机按燃料可以分为化学火箭发动机、核火箭发动机、电火箭发动机等。化学火箭发动机是目前技术最成熟，应用最广泛的发动机，其按推进剂的物态又分为液体火箭发动机、固体火箭发动机和混合推进剂火箭发动机。电火箭发动机的技术成熟度也很高，主要用于空间推进领域。核火箭发动机的样机在上世纪七八十年代已经研制成功，但因各种原因尚未成功上天。

固体发动机

固体火箭发动机是使用固体推进剂的化学火箭发动机。固体推进剂有聚氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。固体火箭发动机由药柱、燃烧室、喷管组件和点火装置等组成。药柱是由推进剂与少量添加剂制成的中空圆柱体（中空部分为燃烧面，其横截面形状有圆形、星形等）。药柱置于燃烧室（一般即为发动机壳体）中。在推进剂燃烧时，燃烧室须承受℃左右的高温和bar以上的高压，所以燃烧室须用高强度合金钢、钛合金或复合材料制造，并在药柱与燃烧内壁间装备隔热衬。

▲固体火箭发动机原理结构简图

固态火箭发动机的燃料是直接安装在火箭的尾部，发射时利用点火器引发燃料燃烧，产生推力推送火箭。因为固态火箭燃料不需要额外的燃料槽，也不需要输送或加压的管线，在构造上固体火箭发动机比液态火箭发动机要简单许多，重量也比较轻。

因为固态火箭发动机的燃料的量与型态是固定的，要通过调整燃料与氧化剂的量来控制推力非常困难，燃料一但开始作用，若是中断燃烧的过程，很难重新点燃，因此固态火箭发动机主要用于推力需求较为固定，一经启动就不需要停止的设计上面。在设计上需要依靠精确的形状和燃料颗粒来控制燃烧的速度和产生的推力。

▲中国快舟31固体火箭，来源于网络

与液体火箭发动机相比，固体火箭发动机具有结构简单、成本低、推进剂密度大、推进剂可以储存常备待用和操纵方便可靠等优点。缺点是“比冲”小，固体火箭发动机比冲通常在—秒，工作时间短，加速度大导致推力不易控制，重复启动困难。

ps：火箭发动机最重要的评价指标之一是比冲，可以理解为每单位推进剂所产生的冲量。如果用重量描述推进剂的量，比冲拥有时间量纲，国际单位为秒（s）；如果用质量描述推进剂的量，比冲以速度量纲表现，国际单位为米每秒（m/s）。比冲越高意味着相同质量的燃料火箭能获得更多动量。

液体发动机

液体火箭发动机是指液体推进剂的化学火箭发动机。常用的液体氧化剂有液氧、四氧化二氮等，燃烧剂包括液氢、偏二甲肼、煤油、酒精、甲烷等，氧化剂和燃烧剂必须储存在不同的储箱中。

液体火箭发动机一般由推力室、推进剂供应系统、发动机控制系统组成。推力室是将液体推进剂的化学能转变成推进力的重要组件，由推进剂喷嘴、燃烧室、喷管组件等组成。推进剂通过喷注器注入燃烧室，经雾化、蒸发、混合和燃烧等过程生成燃烧产物，以高速从喷管中冲出而产生推力。燃烧室内压力可达大气压（约.65bar）、温度—℃，故需要冷却。推进剂供应系统的功用是按要求的流量和压力向燃烧室输送推进剂。

▲典型液体火箭发动机：俄罗斯RD-

液体火箭发动机的优点是比冲高，推力范围大、能反复起动、能控制推力大小、工作时间较长等。（下文将进行详细讲解）

电火箭发动机

电火箭发动机是利用电能加速工质，形成高速射流而产生推力的火箭发动机。与化学火箭发动机不同，这种发动机的能源和工质是分开的。电能由飞行器提供，一般由太阳能、核能、化学能经转换装置得到。工质有氢、氮、氩、汞、铯、氨、氪等气体。

电火箭发动机由电源、电源交换器、电源调节器、工质供应系统和电推力器组成。电源和电源交换器供给电能；电源调节器的功用是按预定程序起动发动机，并不断调整电推力器的各种参数，使发动机始终处于规定的工作状态；工质供应系统则是贮存工质和输送工质；电推力器的作用是将电能转换成工质的动能，使其产生高速喷气流而产生推力。

▲典型电火箭发动机：卢瑟福

电火箭发动机具有极高的比冲（—秒）、极长的寿命（可重复起动上万次、累计工作可达上万小时）。

核火箭发动机

核火箭发动机用核物质作能源，用液氢、液氦、液氨等作为工质，发展较为成熟的是核热火箭发动机。核火箭发动机由装在推力室中的核反应堆、冷却喷管、工质输送系统和控制系统等组成。在核反应堆中，核能转变成热能以加热工质，被加热的工质经喷管膨胀加速后从喷口排出而产生推力。

早在上世纪中叶，美国和前苏联就开始研制核动力火箭，均有相关样品问世，但由于多种因素影响，尚未成功上天。美国制定了Rover项目和NERVA项目，研制了NRX-XE核火箭发动机，真空比冲秒；前苏联研制了推力3.5吨的RD-和70吨的RD-两种核火箭发动机，RD-真空比冲达到秒。

▲美国NRX-XE核火箭发动机，来源于网络▲前苏联RD-核火箭发动机，来源网络

核火箭发动机的比冲高（—0秒），寿命长，但技术复杂，只适用于长期工作的航天器，同时还存在核辐射防护、排气污染、反应堆控制，以及高效热能交换器的设计等问题未能解决。

三：主流火箭发动机优劣势分析

现在火箭普遍使用的主力燃料有四种：固体燃料、偏二甲肼/四氧化二氮、液氧煤油和液氢液氧。

主力燃料对比

对于这四种主流燃料而言，各有优缺点：

1.固体燃料适用于提供短期大推力（起飞阶段/助推器）、长期贮存随时应急情况。但是燃料是战备物资且极其昂贵，且比冲过低根本干不了大活，必须发展但不可能成为主力。

2.偏二甲肼/四氧化二氮是有毒燃料，因为很易燃烧，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。其比冲中等偏下，性价比适中，但是剧毒且也极其昂贵，不能因为单纯追求简单和可靠性而不更新换代，总体上必须要淘汰掉的。

▲偏二甲肼易燃

上图中，试管里面是“冰镇”的火箭氧化剂四氧化二氮气，这是一种沸点只有23.3℃的棕红色液体（具有强腐蚀性），在滴入偏二甲肼后立刻燃烧释放大量气体并产生大量热量

3.液氧煤油是现在性价比最高的燃料，但对煤油的质量要求极高，因其燃烧容易积碳结焦，不利于火箭发动机的重复使用。

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做隔热），导致火箭又胖又贵。

▲长征五号运载火箭（“胖五”）

液氧甲烷发动机

液氧甲烷火箭发动机是介于液氧煤油和液氧液氢的之间的一个选择，它的真正优势在年被世人所知，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：

1.液氧甲烷发动机是所有烃类燃料组合中，最不容易结焦的；

2.甲烷的粘度小，冷却性能远高于煤油；

3.液氧甲烷发动机的理论比冲为.3秒，高于液氧煤油的.5秒；

4.液氧甲烷发动机是所有烃类组合中，最不容易积碳的。

虽然液氧甲烷发动机的优点很多，但当时美国已经掌握了大推力液氢液氧火箭发动机与固体助推器组合的技术，前苏联则把液氧煤油发动机的效能发挥到了极致，所以双方都没有足够的动力再去研制液氧甲烷发动机来替代当时已经足够好用的发动机了。

▲美国RS-25液氢液氧发动机

四：液氧甲烷火箭发动机-太空探索的未来动力

随着商业航天的发展，可重复使用火箭的概念日益深入人心，可以说实现可重复使用运载火箭是商业航天发展的必然，商业航天的竞争最终是价格的竞争，航天器进入太空的成本是商业航天活动成本中很大的一块。在运载火箭的发射费用中，火箭推进剂的成本通常占比较小，发射成本主要是火箭发动机等技术含量高的部件。（火箭燃料在重量上虽然占火箭的90%以上，但成本通常不到火箭发射总成本的1%，而SpaceX曾经在核算的时候，给出了0.4%的占比）

▲SpaceX成功回收“重型猎鹰”火箭助推

如果能够实现运载火箭的可重复使用，每次飞行之后只需要像飞机那样重新加满油就再次飞上蓝天，就能够显著降低航天发射的总成本。

液氧甲烷与可重复使用

随着SpaceX公司的火箭可重复使用技术的成功实现及不断突破，液体火箭发动机的单次任务可多次启动和可在多次任务中使用的性能成为了火箭工程师追求的目标。

总体上讲，液氧甲烷和液氧煤油在历史上相比不相伯仲，但液氧甲烷在可重复使用上有一定优势，因而世界头部商业运载火箭企业都在重点研发液氧甲烷火箭。

▲火箭液体燃料综合对比

液氧甲烷与深空探索

从理论上讲，液氧甲烷发动机更加适合人类深空探索时资源的原位利用。在火星和土卫六上，存在生产提炼甲烷的可能，这为今后迈入深空的先驱者能够乘坐火箭返回地球提供了条件。

此外，奔向月球和火星或者更远地方的深空探测器，需要其推进剂能够在火箭内部可靠贮存数天甚至数月。煤油容易冻住，液氢则过于活泼，总会想法设法跑掉。而甲烷的沸点为-°C，液氧的沸点为-℃，二者比较接近，在深空探测任务中，可以更加方便地用类似的甚至相同的系统来统一进行管理。

▲深空探测器概念图，来源于网络

液氧甲烷发动机

对于液氧甲烷发动机，中美俄三个航天大国的国家队都在进行研究探索，而商业航天的头部企业也有在大力开发相关产品。

SpaceX公司

猛禽液氧甲烷发动机

首先是著名的SpaceX公司，其猛禽液氧甲烷发动机项目从9年立项，到年，研制成功出厂。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。这款海平面比冲秒，真空比冲秒，真空推力高达0千牛（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。

▲猛禽发动机

蓝色起源公司

BE-4液氧甲烷发动机

世界首富贝索斯创办的蓝色起源正在开发BE-4液氧甲烷发动机，计划用在自己家的重型火箭新格伦上，这个火箭的近地轨道运载能力为45吨，可重复利用，是个可以和猎鹰重型火箭比肩的大个子。虽然BE-4进度稍慢，一直在做点火测试、计划到1年才能火箭首飞，但它早被波音/洛马家的联合发射同盟ULA预定为下一代主力火箭火神（Vulcan）的一级发动机。

▲BE-4液氧甲烷发动机，来源于网络

「哈工创投」投资企业

宇航推进“沧龙一号”

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，中国多家商业航天企业也在进行液氧甲烷发动机的研制。「哈工创投」一直对中国液体火箭发动机尤其是液氧甲烷发动机领域保持重点

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