液氧煤油的优缺点（液氧甲烷比液氧煤油比冲更高）

液氧甲烷火箭发动机这几年真的很火，包括美国的SpaceX和蓝色起源和国内的蓝箭等多家民营航天企业相继研发了属于自己的液氧甲烷火箭发动机，特别是SpaceX最新研制的“猛禽”液氧甲烷火箭最大推力已经达到了200吨，随着后续改进应该会达到设计目标的350吨推力，这个推力级别已经算是大推力级别的火箭发动机了，而且其使用的甲烷燃料不仅制取简单、价格便宜，而且甲烷的比冲比煤油的比冲高不少，所以这种燃料便宜、制取简单、还不会结焦、比冲更高的甲烷燃料就成了包括SpaceX、蓝箭这些注重性价比的民营企业相继研发的新型火箭动力，比如现阶段SpaceX的猛禽液氧甲烷火箭发动机最大推力已经达到了200吨，后续改进升级后将达到设计参数的350吨；同样蓝色起源的BE4液氧甲烷火箭发动机已经达到了240吨，后续也会升级到300吨级别；而国内的蓝箭自主研制的天鹊液氧甲烷火箭发动机也成功实现了80吨级的长推力试车。

但是现阶段不管是国内还是国外研发液氧甲烷火箭发动机的基本都是民营企业，国家队还没有看到有涉及液氧甲烷火箭发动机也是有原因的。从液氧煤油转变到液氧甲烷后，从表面来看，甲烷相比煤油价格更便宜、甲烷还不会有煤油结焦的问题，所以火箭发动机的结构可以更为简单一些，也提升了火箭发动机的安全可靠性。更重要的是液氧煤油火箭发动机的比冲仅有350S左右，而液氧甲烷虽然达不到液氢液氧的530S左右，但是依然高达450S左右，对于火箭而言，比冲的高低直接决定了一枚火箭的载荷比。所以从表面来看，甲烷不管是从成本还是从不易结焦、更大的比冲优势来看，甲烷都要比煤油更有发展前景。

至于国家队为什么不及时跟进液氧甲烷则是因为液氧甲烷火箭发动机自身所存在的缺点极大地掩盖了其优点，使得国家队研发液氧甲烷发动机的动力不足。其一甲烷虽然更为便宜，但是相比煤油这种常温燃料而言，甲烷属于低温燃料，那么就需要对甲烷燃料箱进行低温热保护处理，这无疑增加了火箭自身的重量；

其二甲烷的密度更低，装载同样多的燃料，甲烷燃料箱的尺寸要比煤油燃料箱大不少，增加的燃料箱体积也会增加不少火箭的结构重量，其三再加上燃料箱长度增加后，为了保证整个甲烷燃料箱的横向载荷不升，就需要对整个燃料箱进行纵向结构加强，同样会增加火箭自身的结构重量，其四甲烷产生的饱和蒸汽压力比煤油产生的蒸汽压力更高，为了保证足够高的发动机入口处压力，甲烷燃料箱内部需要加压处理，除了需要额外的增压泵外，为了承受高压所进行的燃料箱结构加强同样会增加整个火箭的结构重量，最终甲烷燃料的高比冲优势就会被拉低，也就是说液氧甲烷虽然比冲更高，但是对于液氧煤油火箭而言在性能上的差别并不大。

其次甲烷的低成本优势其实放在火箭上也不是什么优势，具体来说的话，虽然煤油的成本要比甲烷贵不少，但是在火箭上二者的差价并不大。举例来说的话，长征七号运载火箭起飞重量597吨，大概需要160吨煤油，也就是长征七号所需的煤油价格大概是160万元，比同重量的甲烷贵80万元，但是对于一枚发射成本高达6000万美元以上的长征七号运载火箭而言，差价80万元的差价几乎可以忽略不计，所以甲烷的低成本优势其实优势也不明显。

还有一个不太值得注意的是，所有低温燃料的蒸发量相比常温燃料的蒸发量更大，那么也就限制其使用场景。比如SpaceX这些民营航天企业的未来主要发射轨道基本都是大部分商业卫星、航天器运行的近地轨道，距离地面400公里的近地轨道平均温度大概是5摄氏度，那么对于零下161.5摄氏度的甲烷而言，整个燃料箱就需要进行超强制冷以保持甲烷状态稳定，降低其蒸发量。但是对于临近真空的太空环境而言，几乎没有空气的存在所以航天器的温度提升会很快，所以甲烷燃料并不适合太空中的航天器长时间使用。反观煤油的最低沸点只有30摄氏度，对于航天器而言，只需要稍微进行转体就能保持航天器内部的煤油长期处于稳定状态，而且煤油的常温温度和航天器内部的各种电子设备运行温度接近，也就不需要进行额外的隔温处理，无疑进一步降低了火箭自身的结构重量。

更进一步地说，就像是马斯克扬言要借助装载使用液氧甲烷燃料的星舰实现载人登月、载人登上火星，但是不管是月球表面白天超过300度的高温还是火星平均零下63度的温度，和甲烷的稳定温度零下161摄氏度之间的差距还是很明显的。除非马斯克的星舰能够长期躲在月球的背面和火星的背面保持长久低温状态，否则被太阳直射几分钟后整个火箭燃料箱内部便会因为压力过高而爆炸。

至于SpaceX、蓝色起源、蓝箭这些民营企业为什么都大力发展液氧甲烷火箭发动机也是有原因的，首先液氧煤油火箭发动机不能解决煤油极易结焦的问题 ，就根本无法实现更大推力输出，但是甲烷不存在任何结焦的问题，所以液氧甲烷火箭发动机的推力提升更容易，同时其技术难度要比液氧煤油更为简单的多。

其次不管是SpaceX、蓝色起源还是国内的蓝箭核心业务都是通过“一级火箭可回收重复利用”降低发射火箭成本。那么对于火箭的载荷比而言，一级火箭的结构重量限制因素并没有二级火箭、甚至三四级火箭结构多，所以一级火箭使用液氧甲烷燃料后所带来的的优势就是，火箭发动机难度降低、推力可以更大后火箭发动机数量少了、那么为了保证甲烷的稳定性所增加的结构重量还是可以忽略不计，而且一级火箭主要在大气层内飞行，没有太空的低温和温度变化非常快的缺点影响。最终技术难度更低、价格更便宜、比冲更高、采用一级回收、可重复使用的液氧甲烷一级火箭，对于这些注重低发射成本的民营企业而言，无论是从成本还是技术层面都要比液氧煤油更占优势了。

反观国家队因为不光要满足近地轨道航天器发射需求，同时还要满足深空探测需求，专门为近地轨道发射研制一款最终性能相差无几的液氧甲烷发动机不太现实，所以这也是中美俄这些航天大国并没有及时跟进液氧甲烷火箭发动机的原因所在。