美国时隔50多年重返月球，为何选择液态甲烷做动力

2024-02-26 20:46:33 - 新浪财经头条

来源：环球零碳

撰文|小博

编辑|Tang

→这是《环球零碳》的第971篇原创

作为人类走向宇宙深空的跳板，月球的“访客”在不断增加。

登陆月球，对人类具有非同一般的战略意义。月球上有地球上难以找到的矿物和同位素，其中一些材料可能对核聚变——一种可能改变游戏规则的清洁能源——至关重要。

科学家们还推测，月球上可能存在冰态水。有了水，就有氢和氧的存在，这种水可以转化为火箭燃料，以便进行更多探索。一些国家已经计划在月球上建立永久基地，作为前往其他太空目的地的跳板。

为此，很多国家不惜重金对月球进行探索。

当地时间2月22日，美国私营企业“直觉机器”公司（IntuitiveMachines）研发的月球着陆器“奥德修斯”（Odysseus）在月球着陆。

这次登月，具有很多里程碑的意义。这是自1972年美国阿波罗17号完成登月任务后美国航天器首次登月，也是首次由私营企业完成登月任务。搭乘的是马斯克SpaceX公司的猎鹰9号火箭。

此前，只有美国、俄罗斯、中国、印度和日本这五个国家实现了登月，从未有私营企业成功过。

在奥德修斯的这次尝试之前，以色列非营利组织SpaceIL、日本公司ispace和总部位于匹兹堡的Astrobotic都将其商业登陆器瞄准了月球，但都未能安全抵达目标。

就在一个月前，美国Astrobotic公司打造的“游隼”（Peregrine）号在奔月途中发生灾难性的推进器泄漏，最终不得不飞回地球并在大气层中燃烧。

这意味着，奥德修斯成为历史上第一个软着陆月球的商业探测器。

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奥德修斯着陆器登陆月球后的效果图。

来源：IntuitiveMachines

与将宇航员送往月球赤道地区的阿波罗计划不同，美国这次阿耳特弥斯计划（Artemis）的目标是在月球南极着陆，这是一个尚未开发但可能会有巨大发现的地区。科学家预计，在那里长期被阴影笼罩的陨石坑中，可能存在着以冰形式包含的水。

奥德修斯号的着陆点就在该地区一个名为马拉普特A的环形山附近，马拉普特A是以一位17世纪比利时天文学家的名字命名的，是月球南极地区69公里长的陨石坑。奥德修斯着陆点距离月球南极约300公里。附近的马拉普特地块是美国宇航局阿耳特弥斯三号任务正在考虑的13个候选地区之一。

奥德修斯号着陆器还带了6个NASA有效载荷——一系列科学仪器，用于测试新技术或评估月球环境，例如研究月球土壤在着陆时的表现，旨在为未来人类和机器人探索月球铺平道路。

此外，还将搭载一些纪念品，包括与杰夫-昆斯（JeffKoons）协商设计的代表月球的125件不锈钢雕塑，以及私营公司提供的技术，其中包括为着陆器开发绝缘材料的哥伦比亚运动服装公司（ColumbiaSportswear）提供的太空面料等。

当然，这些任务都是一个更广泛战略的一部分。美国航天局提出的阿耳特弥斯计划，旨在促进月球上的可持续存在，促进科学发现、资源利用和月球基础设施的发展。从这次任务中获得的知识和经验将对制定未来的月球和更深远的任务提供重要价值，为未来探索打开新的可能性，推动人类成为多行星物种的梦想。

美国时隔50多年重返月球，为何选择液态甲烷做动力

图说：奥德修斯从发射到登月的任务要点图解。

来源：IntuitiveMachines

其实，这次登月还有一个关键细节，也受到广泛关注。那就是奥德修斯号着陆器的发动机是3D打印的，它使用的燃料是环境友好型的液态甲烷和液态氧的混合物。

直觉机器公司首席执行官史蒂夫-阿尔特穆斯（SteveAltemus）表示，通过3D打印来制造发动机燃烧室、发动机喷油器和发动机点火器的材料都是铬镍铁合金，这是一种高镍钢，先弄成粉末，然后将其变成一个个真正的零件，每五天就能制造出一台新发动机。而且很容易实现技术迭代。直觉机器公司制造出大约40台发动机，使这些发动机能够恰到好处地完成这次特定任务。

发动机使用的液氧和液态甲烷，也是这种发动机的优势所在。这也是第一个在太空中燃烧这种燃料的发动机。

没错，2023年7月中国发射的朱雀二号运载火箭，使用的也是液氧/甲烷作为推动系统的燃料，这是中国第一枚液氧/甲烷运载火箭，也是世界首枚入轨成功的液氧/甲烷运载火箭。

不同的是，我国是火箭发动机，直觉机器公司这次是实现了在月球着陆的发动机，区别还是很大的，但都有开创性意义。

使用液态甲烷在航空航天中具有重要的战略考虑。

液态甲烷作为燃料，在运载火箭可重复使用方面，具备优异的性能。首先液态甲烷的粘性小，只有煤油的三分之一，因此燃烧速率高，燃烧性能好，有利于发动机稳定工作。还有就是液态甲烷比热高，结焦温度高，可以让冷却管路温度上限增加，能够带走更多的热量。

液态甲烷作为燃料也不容易积碳，甲烷只有一个碳原子，不存在碳-碳分解问题，甲烷燃料之中含碳量只有煤油的16%，燃气发生器效率高，最高可以达到98%，而煤油不到80%，因此甲烷燃料不容易积碳。

燃料不结焦和不积碳对于降低发动机工作损伤至关重要，这也是新世纪全球航天聚集甲烷火箭的主要原因之一。

甲烷燃料还有其他许多优点，比如它燃烧之后只生成水和二氧化碳，对于环境没有污染，无毒副作用。甲烷使用安全性好，气态下密度比空气小，因此更轻，即便发生渗露，也会迅速消散。

还有就是甲烷发动机的推力控制精度高，液氧-甲烷发动机配合制导计算机，能够进行细致精确控制，轻松实现组合状态各阶段推力控制。

甲烷还是最便宜的燃料，它的成本只有煤油的三分之一，液氢的三百分之一。

除了这些经济价值和实用价值外，当然，使用甲烷还有一个重要的战略意义，因为甲烷可以用水和二氧化碳合成，一些行星的大气也是由甲烷组成，未来当人类实现星际旅行的时候，可以就地使用甲烷或实时制取甲烷，作为发动机燃料，这样可以在没有太阳光照的区域，实现能量补给。

首图来源：IntuitiveMachines