▲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1969年阿波罗登月所使用的火箭土星五号，其高达111米，比自由女神像高18米；起飞全重达3000吨，大约是1700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680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1789 kg液氧和788 kg煤油。整个土星五号每秒的推进剂流量可达12710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3000℃左右的高温和100bar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，来源于网络
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250—300 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200大气压（约202.65 bar）、温度3000—4000 ℃，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-170火箭发动机总成，来源于网络
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： “电子”号火箭卢瑟福发动机，来源于网络
电火箭发动机具有极高的比冲（700—3000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820秒；前苏联研制了推力3.5吨的RD-0410和70吨的RD-0411两种核火箭发动机，RD-0410真空比冲达到910秒。
▲美国NRX-XE核火箭发动机，来源于网络
▲前苏联RD-0410核火箭发动机，来源于网络
核火箭发动机的比冲高（250—1000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。
▲滴入偏二甲肼后立刻燃烧
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”）采用大推力液氢液氧发动机和液氧煤油发动机，来源于网络
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1986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390.3秒，高于液氧煤油的377.5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，具有99.7%的可靠性，在135次的航天飞行中，只出现了一次失败，来源于网络
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”火箭助推器，来源于网络
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，哈工创投根据公开资料自主研究绘制
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-161 °C，液氧的沸点为-183℃，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2009年立项，到2015年，研制成功出厂。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。
▲星舰使用猛禽发动机，来源于网络
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2021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关注，并投资了国内首家全品种商业航天火箭发动机公司--北京宇航推进科技有限公司（以下简称宇航推进）。
▲宇航推进“沧龙一号”液氧甲烷发动机，来源于宇航推进官网
2019年11月，宇航推进完成了“沧龙一号”60吨液氧甲烷发动机推力室点火试验，试验数据满足设计要求，试验取得圆满成功。推力室是液体火箭发动机的核心装置，是发动机将推进剂的化学能转换为高温高压燃气热能，并进一步转化为排气动力的核心部件。
▲“沧龙一号”液氧甲烷发动机推力室点火试验成功，来源于宇航推进公众号
2020年，宇航推进自主研制的“沧龙一号”发动机全尺寸燃发器-涡轮泵联试样机完成装配及交付，这标志着“沧龙一号”发动机研制工作正式迈入系统级调试和测试阶段。
▲“沧龙一号”燃发器-涡轮泵联试样机，来源于宇航推进公众号
结语
星空浩瀚无比，探索永无止境，航天是一个美好而漫长的梦。从一枚枚火龙拔地而起、直上云天，到航天技术一次次突破，奔向宇宙，中国一直在不断实现和丰满这个延续了千年的飞天梦想。
嫦娥探月、首探火星、建设空间站、深空探索......走向深空，踏梦远行，星辰大海，从未止步。中国探索的距离越来越远，航天技术也越来越成熟，我们也在不断触摸未知的浩瀚星空中，感知科技与生命的魅力。
我们一起期待未来的深空探索！
参考文献：
1、小火箭：液氧甲烷火箭发动机：太空探索的未来动力！
2、太空精酿的空间站：为什么我们需要造液氧甲烷火箭？
3、航天爱好者：火箭发动机概论—离开地球的几种方式
4、腾讯太空：SpaceX火箭回收又成功了 我们究竟在见证什么？
5、三体引力波：“猎鹰重型”火箭商业首飞发射成功！实现三箭回收
6、小火箭：RD-170：世界上推力最大的液体火箭发动机
7、人航天爱好者：浅谈“电子号”火箭的新型发动机循环方式
8、卫星与网络：技术流|中国为何还需俄制火箭发动机？
9、腾讯太空：俄媒：俄罗斯将售华RD180火箭发动机 中国迫切需要
10、中科院高能所：火箭发动机的比冲，是个什么鬼？
11、央视网：未来十年 中国商业航天市场将有8000亿元规模
12、前瞻产业研究院：2019年全球商业航天行业市场现状及发展趋势分析
13、环球网：蓝箭航天朱雀二号完成控制系统与二级游机发动机匹配性验证
14、新华社：中国正研发更先进的火箭
15、NASA官网返回搜狐，查看更多