天然气火箭

撰文：史蒂文·阿什利（Steven Ashley）
翻译：王栋

以甲烷为燃料的新型火箭发动机有很多优势，应用前景诱人。天然气将给未来的火箭提供动力，把人类送入太空，甚至送上火星。

很多人都知道天然气（甲烷）是日常生活中用于加热和取暖的一种燃料，然而在不远的将来，它也许还能推动宇宙飞船进入绕地球轨道，甚至到达更远的地方。世界各地的许多火箭工程师都在研究一种新型火箭发动机，它将用甲烷替代传统的液体燃料，为火箭提供动力。

过去半个世纪以来，工程师一般会选用碳氢化合物（hydrocarbon，比如煤油或氢）和低温下液化的氧作为火箭的化学推进燃料。但韩国C&Space公司（一家航天技术公司，位于韩国城南市）的戴维·赖斯伯勒（David Riseborough）指出，煤油和氢都有缺点。他说：“燃油燃烧产生的煤烟会在发动机表面沉积焦炭，造成堵塞，不利于火箭的重复使用。”氢燃料则需要昂贵的低温储存技术，操作起来十分危险；巨大的隔热储罐还要占用空间，增加火箭的负荷。

火箭上的任何纰漏都将带来灾难，因此火箭设计人员往往非常谨慎，坚持使用技术成熟、经过多次测试的装置和推进燃料。然而近年来，科学家也开始研究其他的替代燃料，甲烷就是其中之一。甲烷的性质相对温和，可以让航天员在太空或其他行星表面更安全、更有效地工作。

与煤油相比，甲烷燃烧释放的煤烟更少，产生的推力却更大。更重要的是，甲烷可以产生更高的比冲（specific impulse）。（比冲是衡量燃料燃烧效率的物理量，表示一定质量的推进燃料能够产生多少动力。）

与氢相比，尽管甲烷的比冲略低一些，但它仍有许多优势。液态甲烷更稳定，挥发也更慢。而且，甲烷的储存对隔热措施的要求更低，可以显著减少系统重量。此外，与液态氢（液化温度为-253℃）相比，液态甲烷的液化温度（-162℃）与液态氧（-183℃）更为接近，这使航天器的设计和操作都更加容易。甲烷燃料的另一个优势是：在未来的载人火星计划中，航天员可以就地取材，利用火星大气的主要成分——二氧化碳合成甲烷，有助于减少飞船的尺寸和重量。

在NASA的资助下，几家公司正在积累甲烷引擎的研究和制造经验。美国XCOR航天技术公司（一家火箭制造商，位于加利福尼亚州莫哈韦沙漠）的理查德·伯尔尼勒（Richard Pournelle）报告说，他们公司在2006年12月对一台推力为7,500磅（约合3,400千克）的液态甲烷－液氧火箭发动机进行了地面试验。他们的竞争对手——美国KT工程公司（位于阿拉巴马州亨茨维尔市）也在积极研制甲烷火箭发动机。

2006年3月，C&Space公司的工程师测试了一种甲烷－氢发动机，它可以产生20,000磅到30,000磅的推力（约合9,000千克到14,000千克）。这种发动机是在俄罗斯专家的协助下设计完成的，可以将500千克重的卫星送入地球低轨道，发射费用约为2,000美元/磅 （仅为目前正常发射费用的20%左右）。这种装置还可以推动未来的亚轨道观光飞行器（suborbital tourist flights，一种在大气层外作抛物线飞行，并不环绕地球的载人航天器，主要用于太空观光旅游），或者用作第二级火箭的推进器。赖斯伯勒说：“我们相信，甲烷可以大大缩短宇宙飞船的发射周期。”

虽然甲烷燃料的应用前景诱人，但发展道路绝不会一帆风顺。以日本宇宙航空开发研究机构（Japan Aerospace Exploration Agency）联合几家风险投资公司合作研发的银河快车（Galaxy Express）火箭为例——它的二级火箭发动机设计用甲烷作为燃料，整个计划已经因为研发费用超过预算数亿美元而被推迟。