11月22日，龍樂豪院士在央視新聞的采訪中公開了CZ-9的進(jìn)展，這是迄今為止最詳細(xì)的長征九號火箭進(jìn)度的重要信息：

• 1、長征九號原型已經(jīng)建成；

• 2、一二三級發(fā)動機(jī)均已經(jīng)進(jìn)行了熱火試驗(yàn)；

• 3、8~10年內(nèi)就會首發(fā)；

這表示CZ-9火箭的已經(jīng)到了相當(dāng)?shù)某墒於龋欢壔鸺裏峄饻y試，原型已經(jīng)建成，非常振奮人心的消息，但筆者根據(jù)近期公布的信息卻發(fā)現(xiàn)了一個驚人的問題，龍樂豪院士公開的信息存在很大的出入。

從早期助推器加芯級火箭到珠海航展上公布的不帶助推器版本，經(jīng)歷了相當(dāng)大的改變，特別是其裝載的發(fā)動機(jī)，龍樂豪院士在7月份與最近公布的兩份資料中差異相當(dāng)大，一枚已經(jīng)建成原型的火箭為何會變化那么大，究竟是怎么回事？

CZ-9巨型火箭：從芯級加助推器到無助推版

11月5日，航天科技集團(tuán)六院自主研制的中國最大推力液體火箭發(fā)動機(jī)YF-130首次整機(jī)試車圓滿成功，該型發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)推力500噸級，采用全球最大的補(bǔ)燃循環(huán)（分級燃燒循環(huán)）發(fā)動機(jī)推力室，標(biāo)志著該型發(fā)動機(jī)研制取得重大突破！

這個發(fā)動機(jī)就是CZ-9的一級火箭發(fā)動機(jī)，而CZ-9就是傳說中的中國巨型登月火箭，一級火箭將使用12臺YF-130，此前的CZ-9的構(gòu)型是這樣的：

• 助推器：數(shù)量4個，每個助推器為2臺高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動機(jī)（YF-130）

• 芯一級火箭：4臺YF-130；

• 二級火箭：2臺220噸級高壓補(bǔ)燃?xì)溲醢l(fā)動機(jī)（YF-90）；

• 三級火箭：4臺25噸級膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)（YF-79）；

500噸級的高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動機(jī)YF-130和25噸級的YF-79都已經(jīng)成功，220噸級的氫氧機(jī)YF-90進(jìn)展也一直很順利，CZ-9已經(jīng)呼之欲出，但很多朋友都不知道的是早在今年7月份，龍樂豪院士在《科創(chuàng)中國·院士開講》第十二期節(jié)目公布了CZ-9的新構(gòu)型：

此時(shí)的CZ-9已經(jīng)從助推器版本換成了無助推器版，并且從外觀來看也從一次性使用的火箭變成了可回收火箭，其中有幾個參數(shù)特別引人注意，直徑為10.6米，高度110米，4122噸起飛質(zhì)量，5200噸總推力，LEO（近地軌道運(yùn)載能力）為150噸，LTO（地月轉(zhuǎn)移軌道）為50噸！

地月轉(zhuǎn)移軌道最高為50噸，顯然是沖著登月去的，但是它用的是什么發(fā)動機(jī)呢？在龍樂豪院士的PPT中也公布了：

• 一級火箭：26臺推力為200噸的液氧甲烷發(fā)動機(jī)；

• 二級火箭：4臺推力為120噸的氫氧發(fā)動機(jī)；

• 三級火箭：1臺推力為120噸氫氧發(fā)動機(jī)；

從PPT中我們可以看到，至少一級是可以回收的，火箭發(fā)動機(jī)燃料使用的是液氧甲烷，似乎也沒啥問題提，畢竟克全可回收版都是液氧甲烷機(jī)，大家都在歡呼中國航天終于開始考慮回收火箭了。

但龍樂豪院士在最近公開的一份資料中，CZ-9的火箭發(fā)動機(jī)又發(fā)生了變化：直徑為10.6米，高度114米，4122噸起飛質(zhì)量，5873噸總推力，LEO（近地軌道運(yùn)載能力）為100~160噸，LTO（地月轉(zhuǎn)移軌道）為35~53噸！火箭發(fā)動機(jī)則為：

• 一級火箭：24臺推力為240噸的液氧煤油發(fā)動機(jī)；

• 二級火箭：4臺推力為120噸的氫氧發(fā)動機(jī)；

• 三級火箭：1臺推力為120噸氫氧發(fā)動機(jī)；

與7月份公開的資料相比，兩者二三級并沒有什么區(qū)別，但一級發(fā)動機(jī)不但數(shù)量有了變化，而且發(fā)動機(jī)的推力與燃料差別不是一般的大，從液氧甲烷機(jī)換成了液氧煤油機(jī)，兩者到底有多大的區(qū)別呢，為什么會從甲烷換到煤油？

CZ-9巨型火箭：究竟液氧煤油還是液氧甲烷發(fā)動機(jī)？

7月份公布的是液氧甲烷發(fā)動機(jī)，11月份公布的是液氧煤油機(jī)，兩者相比，究竟哪個更有優(yōu)勢呢？新版的CZ-9屬于可回收火箭，煤油機(jī)容易積碳，目前全球在研制的可回收火箭都用液氧甲烷，那么我們?yōu)槭裁催€會使用液氧煤油發(fā)動機(jī)？

作為火箭燃料：煤油和甲烷到底哪個更有優(yōu)勢？

以火箭燃料為標(biāo)準(zhǔn)，燃料最好無毒污染，比如早期火箭燃料硝酸-27s+偏二甲肼，也有四氧化二氮+偏二甲肼，但偏二甲肼不僅易燃易爆還有劇毒，不過好處是可以常溫存放，因此到現(xiàn)在還用作液體火箭與導(dǎo)彈的燃料，不過使用面也越來越窄，各國紛紛開始選擇無毒的燃料。

紅棕色煙霧是偏二甲肼和四氧化二氮的特征

無毒燃料則主要以液氧煤油為主，煤油容易保存，而且這個火箭的煤油與航空煤油差了也不是很大，是公認(rèn)的火箭環(huán)保燃料。

比液氧煤油更環(huán)保的是液氧液氫，這倆燃燒后就是水，而且還是純凈水，可以喝的那種！最環(huán)保無疑就是這種，但液氫不僅需要低溫保存，而且密度只有煤油的10%，液氫的火箭燃料罐體積太龐大，這直接導(dǎo)致低溫火箭體積比常溫火箭要大得多。

后來馬斯克搞出回收版火箭，各國紛紛跟進(jìn)研發(fā)液氧甲烷發(fā)動機(jī)，原因也很簡單，煤油的含碳量比較高，燃燒不完全容易積碳，特別是火箭發(fā)動機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)以及分級燃燒循環(huán)中的燃?xì)鉁u輪泵，高溫、大流量、高壓力的環(huán)境下結(jié)焦與積碳簡直就是個無解的問題。

無法解決這個問題的火箭發(fā)動機(jī)廠商紛紛采用甲烷回避這個技術(shù)難題，免得火箭發(fā)動機(jī)回收回來后就像糊了一坨屎，清理都很難。甲烷的含碳量比較小，并且是氣態(tài)燃料，更重要的是液態(tài)甲烷的密度還有煤油的一半，雖然熱值不如氫燃料，但密度高，燃料罐體積就能縮小，比氫燃料還是有些優(yōu)勢。

除了甲烷外，還有甲醇，目前也有多個航天企業(yè)在突破使用甲醇作為火箭發(fā)動機(jī)燃料，其實(shí)火箭的鼻祖，V-2導(dǎo)彈用的就是液氧酒精，不過煤油的熱值（47MJ/kg）是酒精（30MJ/kg）的1.5倍以上，而甲烷的熱值（55MJ/kg）則比煤油高，不過酒精密度和煤油差不多，如果在酒精和甲烷之間選擇，個人認(rèn)為還是甲烷略好，因?yàn)榫凭肿咏Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本很高，不如甲醇低成本，因此現(xiàn)代火箭中不會用酒精，在醇類燃料中肯定選甲醇，因?yàn)槌杀镜停珶嶂狄猜缘汀?/p>

RD-180的煤油燃燒后的尾焰

一句話總結(jié)，煤油熱值高、發(fā)動機(jī)比沖也高，但容易結(jié)焦積碳；甲烷不會結(jié)焦積碳，性能適中，甲醇熱值低，比沖低，但成本也低，所以也有優(yōu)勢，可回收火箭發(fā)動機(jī)燃料的首選就是液氧甲烷。

為什么還用液氧煤油機(jī)

煤油其實(shí)挺符合火箭燃料要求的，比如無毒、熱值高、密度大、常溫保存等，保障要求很低，只要一臺油罐車即可搞定，但上文也說明了在火箭發(fā)動機(jī)的預(yù)燃渦輪中結(jié)焦積碳比較嚴(yán)重，因此在可回收火箭中都不太待見煤油機(jī)，那么在CZ-9的火箭中為何還要用液氧煤油機(jī)呢？

SpaceX的獵鷹-9火箭：梅林1發(fā)動機(jī)就是燒煤油的

獵鷹-9是回收火箭的鼻祖，一級火箭用了9臺梅林發(fā)動機(jī)，為什么SpaceX就能做到不結(jié)焦積碳？其實(shí)了解下梅林發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)我們就能明白了：

這是梅林發(fā)動機(jī)試車時(shí)的場景，特征非常明顯，主發(fā)動機(jī)冒出火舌，而旁邊還有小噴口在噴出濃濃黑煙，梅林發(fā)動機(jī)不結(jié)焦積碳的秘密就在這里，這臺發(fā)動機(jī)是開式循環(huán)，室壓比較低，如下原理圖：

液氧和煤油先送入預(yù)燃室燃燒后帶動兩個渦輪泵將液氧和煤油泵入燃燒室點(diǎn)火工作，而預(yù)燃室燃燒過的“廢氣”就排出火箭外部，這些濃濃黑煙就是未燃盡的燃?xì)?，為了避免預(yù)燃室的渦輪溫度太高，這里的燃燒不是富燃就是富氧，大都是富氧，而排出的“廢氣”中就浪費(fèi)了大量的氧氣。

這就是燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)（開式循環(huán)），如果將“廢氣”注入燃燒室再燒一次就是分級燃燒循環(huán)（閉式循環(huán)），開式循環(huán)的好處結(jié)構(gòu)比較簡單、預(yù)燃室室壓低，比如梅林發(fā)動機(jī)室壓才9.7MPa，容易制造生產(chǎn)，壞處是浪費(fèi)了液氧，比沖大大下降。

梅林火箭發(fā)動機(jī)的渦輪泵

但卻有了一個意外的收獲，結(jié)焦和積碳的條件：高溫、高流量、高壓力中的壓力下降，當(dāng)然會改善結(jié)焦和積碳條件，再加上精煉煤油去硫，那么這個條件也能達(dá)到回收火箭的要求。不過液氧煤油回收還是存在難度的，在可回收的星艦巨型火箭中，馬斯克還是開發(fā)了史上最強(qiáng)大的液氧液態(tài)甲烷版、全流量分級燃燒循環(huán)的猛禽發(fā)動機(jī)。

猛禽發(fā)動機(jī)的全流量分級燃燒循環(huán)

從SpaceX走過的路我們也可以參考，液氧煤油不是不能回收，前提是以低室壓和低比沖作為代價(jià)，換來可回收的液氧煤油版發(fā)動機(jī)，那么問題來了，CZ-9發(fā)動機(jī)到底是哪款液氧煤油機(jī)呢？

很可能是基于YF-130的減半版本

《宇航總體技術(shù)》2020年第2期關(guān)于500噸級火箭發(fā)動機(jī)的進(jìn)展介紹中提到了我國正在開發(fā)100t級—200t級—400t級推力的基礎(chǔ)級發(fā)動機(jī)型譜，滿足小、中、大和重型運(yùn)載火箭對基礎(chǔ)級動力的需求：

100噸級我們已有YF100系列高壓補(bǔ)燃液氧煤油火箭發(fā)動機(jī)，400噸級我們也有YF130高壓補(bǔ)燃液氧煤油火箭發(fā)動機(jī)，實(shí)際上現(xiàn)在已經(jīng)提升到500噸級，目前缺少的是200噸級，基于YF130減半可極大節(jié)省研發(fā)成本和研制難度。因此第5款大推力常規(guī)發(fā)動機(jī)最有可能是我國正在研制的推力超過240噸的單室高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動機(jī)。

因此我們有理由相信，240噸的液氧煤油發(fā)動機(jī)很可能就有YF-130的減半版，并且可以將室壓提高到25MPa（因?yàn)閅F-130的18MPa太保守了），推力甚至將遠(yuǎn)高于240噸，可能未來的CZ-9的發(fā)動機(jī)數(shù)量還可以繼續(xù)減少。

不過YF-130是分級燃燒循環(huán)（也稱高壓補(bǔ)燃或者閉式循環(huán)），室壓比梅林發(fā)動機(jī)高出真正一倍，并且YF-130并沒有考慮回收設(shè)計(jì)，那么我們還是比較懷疑240噸的液氧煤油發(fā)動機(jī)是否可以回收。

所以問題又回到了原點(diǎn)，CZ-9的發(fā)動機(jī)到底是液氧煤油機(jī)還是液氧甲烷機(jī)？說了半天還是未能確定，實(shí)在是抱歉，因?yàn)榫湍壳岸怨俜浇o出的信息比較混亂，暫時(shí)還無法準(zhǔn)確判斷。

延伸閱讀：登月火箭的運(yùn)載能力為什么需要50噸

登月的門檻大概是50噸左右，也就是說要將大約50噸的總質(zhì)量送往月球軌道，至于是幾次倒是問題不大，一次可以，兩次也行，三次也不是不行，只要不嫌麻煩與風(fēng)險(xiǎn)增加，那么四次五次也是可以的。

登月的經(jīng)典結(jié)構(gòu)是阿波羅時(shí)代留下的：指令艙、服務(wù)艙、登月飛船（下降級+上升級），盡管已經(jīng)過去了50多年，這個結(jié)構(gòu)也有了一些改變，比如登月飛船可能會將上升與下降級合并，阿爾忒彌斯計(jì)劃中的登月版星艦就是單級的，而我國可能會參考單級但也有可能使用分離版。

雖然技術(shù)上有了長足的進(jìn)步，但重量卻沒減下來多少，反而有加重的趨勢，比如土星五號總起飛重量只有3000噸左右，而新版的登月火箭卻一個比一個重，原因也很簡單，大家都賦予了登月火箭更多的任務(wù)，比如考慮載人登陸火星以及未來得木星與土星探測等。在綜合多個因素的考慮下，目前的登月火箭在地月轉(zhuǎn)移軌道門檻也就變成了50噸左右。