液氧甲烷发动机，有什么特殊之处？
近些年，越来越多的民营航天企业开始致力于研发和推动液氧甲烷发动机的火箭。
这种目前为止尚没有在任何实际发射任务中使用过的发动机燃料，相比于传统的火箭燃料有什么特别之处么？
要把火箭这样的的庞然大物送上天，最核心的部件之一就是发动机了。正是这一个个“喷头”通过发出燃烧推进剂产生的高速气流，让火箭迅速得到巨大的反推力。
这些喷出明亮尾焰的就是火箭发动机了（红色箭头）
▼
来源：2019年4月11日由SpaceX猎鹰重型发射的Arabsat-6A[1]
SpaceX猎鹰重型火箭的第一级，使用了3×9=27台梅林（Merlin）发动机
▼
来源：SpaceX
很显然，要把越重的载荷送往越远的轨道，对火箭运力的要求就越高。当年把阿波罗载人登月任务送上月球表面的巨无霸，高达110米、直径10米、自重3000吨、近地轨道LEO最大运载能力140吨的土星五号，就有着开了挂的至今任然无法超越的超强发动机。
（左）土星五号的F1发动机与火箭之父冯·布劳恩合照。来源：NASA；（右）肯尼迪空间中心对游人展出的单个F1发动机。来源：维基/Jud McCranie
液氧-甲烷这种推进剂组合，其实以前用的并不多…不过呢，这又确实近年来各大航天机构的研发热点。什么鬼…火箭用啥推进剂到底有啥讲究？不是能烧就完事儿了么？
最直观的，我们希望火箭的推进效率越高越好，也就是说，希望用质量尽量小的燃料，产生出尽量大的推力。这就引出了一个最常用的指标：比冲（Specific impulse, Isp ），意思是单位质量的推进剂产生的冲量大小。这也是火箭推进剂最最重要的指标之一。
通常来说我们可以简单把比冲理解为1千克的某种燃料产生1千克力（在地球上就是9.8牛顿）的推力可以持续的时间，单位是秒（s）。
不同混合比下的比冲会略有差异。推进剂参数整理自：[2]和[3]
显然，液氧-液氢推进剂的比冲有压倒性的优势，液氧-甲烷次之，然而早期乃至目前的火箭发射用的最多的却是四氧化二氮-偏二甲肼和液氧-煤油。
也就是说，除了比冲之外，还有很多需要考虑的因素。
比如容易点燃：四氧化二氮-偏二甲肼接触即燃，我国的长征二号到四号系列火箭都是用的四氧化二氮-偏二甲肼作为主发动机推进剂。（不过这东西剧毒，以后会慢慢退出历史舞台的）
比如存储便利：液氢的沸点低达零下253摄氏度，这本身就已经对存储有很高要求了…更要命的是…液氧的凝固点是零下223摄氏度——这意味着这俩东西还不能连着放，而是要完全分开做好隔热，不然液氢直接就把液氧给冻了。相比之下液氧-煤油或者四氧化二氮-偏二甲肼的存储就方便得多。
比如体积小：液氧-液氢虽然比冲最高，但液氢的密度太小了，不到煤油的十分之一…这意味着…需要一个巨大的罐子来装液氢燃料…典型的例子就是…航天飞机了
高达近60米的航天飞机，发射的时候最庞大的一部分（橙色的罐子）就是推进剂…橙色罐子上面一小部分是液氧，下面一大部分都是液氢——这大大限制了液氢-液氧火箭的尺寸。
所以考虑到密度比冲的话，其实液氧-液氢的密度比冲反而是最低的
航天飞机：我要…背着燃料往上飞
▼
2008年5月31日，发现号航天飞机发射。侧面两个是固体推进剂助推器。来源：NASA[4]
当然，实际考虑的还远远不止这些。比如液氢和液氧会随着温度升高不断蒸发，为了保证储罐的安全需要不断泄压，导致它们很难成为火星甚至更远的长期深空探测的理想推进剂[5]。笔者目前能力有限，这里就不展开了。
当然，这里只说了液体推进剂，事实上可考虑的推进剂种类还远远不止这些。比如固体推进剂，虽然比冲低，但存储便利而且稳定、所需的准备时间也短，我国的长征十一号火箭、蓝箭的朱雀一号火箭，都是用的固体推进剂。又比如离子推进剂，比冲指标优秀，当年仅携带了425公斤离子推进剂的黎明号总计获得超过10公里/秒的速度增量，这在深空探测器中是极其优秀的（详情：NASA黎明号即将结束任务：再见，小行星带的穷游博主！）；JAXA的隼鸟号和隼鸟2号也是用的离子推进剂（详情：不死鸟传奇——“隼鸟”家族的小行星之旅（上）），但离子推进剂在技术上目前也还有很多不足。限于篇幅，这里也不展开了。
总之，考虑了上面这些因素之后…液氧-甲烷推进剂的优势还并不突出。然而时也运也，液氧-甲烷火箭却在如今的太空探索新时代展现出了自己独有的优势。
这首先是因为液氧-甲烷本身各方面指标也还不错：在上面提到的四种常见液态推进剂里，液氧-甲烷的比冲仅次于液氧-液氢，密度比冲也可以排上第二，沸点零下162摄氏度和液氧（零下183摄氏度）接近，储存难度也相对较低——总之不是第一名，但也是好学生。
在此基础上，液氧-甲烷推进剂还有一点独特的优势：
其一是低成本可重复使用。煤油容易结焦和产生积碳，液氢会让一些金属材料变得像陶瓷一样脆硬（也就是“氢脆”），这些都会减少火箭零件的寿命，而液态甲烷则几乎没有这些问题，因此液氧-甲烷更适合做可回收火箭的推进剂。
其二是资源丰富易制备。对地球上的火箭来说，获取高纯度煤油并不算困难，但对外太空来说，甲烷反而可能是最便利的原位资源。
例如，火星的大气中就有一定量的甲烷，目前人们也已经发现地表似乎有时还会有来源尚不明确的区域性的甲烷爆发（详情：《科学》杂志：好奇号发现火星远古有机物，我们离发现生命还有多远？）。
SpaceX伊隆·马斯克的火星移民大计中也有利用二氧化碳+氢气，通过Sabatier反应生产甲烷与水的计划，用于满足航天器的燃料需求。
在火星上制备甲烷。来源：SpaceX
外太阳系许多天体上更是有取之不尽的甲烷宝藏…
已故的卡西尼号和惠更斯号探测器已经确认，土星最大的卫星——土卫六表面有着大量以甲烷为首液态的碳氢化合物的湖和海，有甲烷的循环，会下甲烷雨（详情：它是土星最大的卫星，它是地球之外唯一一颗有湖海、会下雨的天体）。
新视野号也发现冥王星的斯普尼克平原（心形的左半边）中有固态的甲烷富集。
冥王星上四种主要的挥发性物质的分布，注意甲烷、氮和一氧化碳都在斯普尼克平原最富集，但水冰不是。来源：NASA
所以也就不难理解，为什么液氧-甲烷推进剂对新时代以低成本、可回收、原位利用资源为追求的民营航天企业有着独特的吸引力了。
事实上，世界两家民营航天大咖：SpaceX和蓝色起源，都在极力研发和推动液氧-甲烷发动机——SpaceX的猛禽（Raptor）发动机（推力达200吨级别）和蓝色起源的BE-4发动机（计划推力高达240吨）都是液氧-甲烷发动机。
BE-4、猛禽和天鹊。来源：蓝色起源、SpaceX，蓝箭航天
蓝色起源的BE-4发动机，将用于自家的新格伦火箭和ULA的下一代主力火箭火神（Vulcan）上，SpaceX的猛禽发动机也将用于自家载人登陆火星的大杀器——大猎鹰火箭BFR上。
而最近试车成功的蓝箭航天的天鹊发动机也将用被于本公司的朱雀二号火箭上。
致谢
感谢知友@天才琪露诺对本文的审稿和讨论~感谢知友@鸑鷟鹓鶵、太空精酿的讨论。
关于作者
灰原哀博士（haibaraemily），从事行星科学研究，本公众号主页君。更多精彩，欢迎关注公众号~
知乎、微博、果壳：@haibaraemily
参考资料
[1] https://www.flickr.com/photos/spacex/40628437283/
[2] https://settlement.arc.nasa.gov/Nowicki/SPBI1LF.HTM
[3] Haidn, O. J. (2008). Advanced rocket engines. Advances on Propulsion Technology for High-Speed Aircraft, 1, 6-1.
[4] https://spaceflight.nasa.gov/gallery/images/shuttle/sts-124/html/sts124-s-032.html
[5] 为什么火箭燃料不都用液氢液氧？-知友@Phil的回答
https://www.zhihu.com/question/31895323/answer/54282014
[6] http://www.ingaero.uniroma1.it/attachments/617_Rocket_Performance.pdf
[7] 宇航探索局-李帅兵 《从“梅林”到“猛禽”：“液氧甲烷”+“全流量分级循环”，星级火箭发动机的中级选择？（上）（下）》
https://mp.weixin.qq.com/s/1QxStgPSiT9FMh1yVPzLNg
https://mp.weixin.qq.com/s/bH691VbKnLuErqYge11VhA