附錄01：推進(jìn)劑交叉輸送（Cross-Feeding）

該技術(shù)簡單、直觀地說，就是在不同的燃料儲(chǔ)箱之間、把燃料調(diào)配著用，從而提高火箭的性能。使用這種技術(shù)的目的或者是延長火箭芯級(jí)的工作時(shí)間、提升運(yùn)力，或者是提高系統(tǒng)的冗余度（當(dāng)個(gè)別發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障、可以把燃料調(diào)配給連接在其它燃料箱上的發(fā)動(dòng)機(jī)使用）。

按照結(jié)構(gòu)不同，可分為貯箱之間的交叉輸送和輸送管路之間的交叉輸送。按照功能不同，又可分為單向交叉輸送和雙向交叉輸送。

這是一個(gè)既古老、又新鮮的技術(shù)。說它古老，是因?yàn)?0年代研制的“土星1號(hào)”火箭，一子級(jí)就采用了雙向交叉輸送技術(shù)，燃料在一子級(jí)九個(gè)燃料箱中調(diào)配使用。此外，它的變種技術(shù)也有應(yīng)用：①“宇宙神”D火箭，外掛發(fā)動(dòng)機(jī)，芯級(jí)向外掛發(fā)動(dòng)機(jī)輸送燃料，飛行一段時(shí)間后、外掛發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)&拋棄，芯級(jí)繼續(xù)工作；②航天飛機(jī)，外掛燃料箱，軌道器達(dá)到入軌速度后，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)、拋棄外掛燃料箱。說它新鮮，是因?yàn)榇蟛糠只鸺秃教炱鞫紱]有選用這種技術(shù)。

采用了推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)的土星1號(hào)運(yùn)載火箭第一級(jí)

它的優(yōu)勢在于要么可以延長火箭芯級(jí)的工作時(shí)間、進(jìn)而顯著提升運(yùn)力，或者是提高系統(tǒng)的冗余度，當(dāng)個(gè)別發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，把燃料調(diào)配給連接在其它燃料箱上的發(fā)動(dòng)機(jī)使用，保證任務(wù)成功。

它的劣勢在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障風(fēng)險(xiǎn)大，需要解決如下技術(shù)難題：

管路解鎖、分離——輸送大流量推進(jìn)劑的管路要連得上、斷得開，液路連接、切換和斷開動(dòng)作可靠、平穩(wěn)，還要盡量降低結(jié)構(gòu)重量。

剩余推進(jìn)劑排放——切換燃料管路并切斷連接的時(shí)候，管道內(nèi)的殘余燃料是個(gè)需要解決的麻煩，或者控制其泄漏速度、或者是排放到專門的回收容器中，如果處理不好、會(huì)危及火箭的飛行安全。

流阻匹配——當(dāng)兩助推器同時(shí)給芯級(jí)同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)輸送推進(jìn)劑時(shí)（輸送管路之間的交叉輸送），由于推進(jìn)劑輸送管路流阻的差異會(huì)導(dǎo)致兩助推器推進(jìn)劑消耗不一致的問題，因此需要對(duì)各貯箱增壓壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)、并在兩組輸送管路上設(shè)置可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的限流閥，保證推進(jìn)劑消耗同步。

液面穩(wěn)定性控制——如果是儲(chǔ)箱之間的交叉輸送，要考慮對(duì)儲(chǔ)箱液面的擾動(dòng)因素，避免液面擾動(dòng)失控、惡化箭體震動(dòng)問題、增大事故概率。

正是緣于上述優(yōu)點(diǎn)與劣勢，燃料交叉輸送是個(gè)讓火箭工程師難以取舍的技術(shù)——也難怪“重型獵鷹”火箭一開始計(jì)劃采用該技術(shù)、把LEO運(yùn)力的理論值從45噸提升到53噸，后來又宣布暫不采用，SpaceX官方給出的解釋是“客戶沒有這個(gè)需求”。當(dāng)然，按照慣例，這一信息又是由關(guān)系人士以“小道消息”的模式放出的。

附錄02：液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

目前運(yùn)載火箭所使用的無毒液體燃料組合，主要有液氫液氧/液氧煤油兩種，但是有一種燃料在最近若干年相當(dāng)熱門、有望被新一代運(yùn)載火箭采用，那就是液氧甲烷。

從物理性質(zhì)來看，甲烷的沸點(diǎn)為-161℃，是一種標(biāo)準(zhǔn)的低溫燃料，但沸點(diǎn)又高過液氫許多、和液氧接近，所以它的存儲(chǔ)難度低于液氫、儲(chǔ)箱蒸發(fā)損失小。特別是在空間環(huán)境，液氧甲烷組合的沸點(diǎn)接近環(huán)境溫度、便于長期存儲(chǔ)，這一點(diǎn)特別適用于火箭的上面級(jí)和長期在軌飛行器。

甲烷的理論比沖高于液氧煤油（同等條件下多出十幾秒），但是低于液氫液氧。它的結(jié)焦溫度高、積碳問題不嚴(yán)重，在采用分級(jí)燃燒循環(huán)的時(shí)候，可以采用富燃配比、而非富氧，在發(fā)動(dòng)機(jī)獲得高比沖的同時(shí)，燃?xì)獾钠茐牧^小、故障發(fā)展溫和。

另外，在烴類燃料中、甲烷的粘性最小、比熱高，對(duì)熱端部件冷卻效果好，特別適于分級(jí)燃燒循環(huán)或者膨脹循環(huán)，而這兩種循環(huán)的比沖都很高。還有一點(diǎn)，液態(tài)甲烷經(jīng)過再生冷卻后已接近氣態(tài)或已經(jīng)是氣態(tài)，因此，液氧甲烷天然地具備燃燒性能好、燃燒穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。

由于甲烷冷卻性能良好、結(jié)焦溫度高、富燃燃燒積碳少、沸點(diǎn)低、重復(fù)使用時(shí)無需清洗等特點(diǎn)，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)是可重復(fù)使用運(yùn)載器較為理想的選擇。

2015年在斯塔尼斯進(jìn)行的“猛禽”液氧/甲烷引擎噴注器試車照片

和液氫液氧組合相比，液氧甲烷組合的密度較大、略低于液氧煤油，密度比沖略低于液氧煤油、大大高于液氫液氧，用于起飛級(jí)有利于降低結(jié)構(gòu)重量、提高干質(zhì)比，進(jìn)而提高火箭性能。

最后，甲烷燃料還有一大優(yōu)勢：廉價(jià)，在液氫、精煉航天煤油、經(jīng)過了脫硫處理的液態(tài)甲烷（減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的腐蝕）三者中，甲烷是最便宜的，液氫最貴。

綜上所述，我們可以對(duì)液氧甲烷組合給予如下評(píng)價(jià)：它的各方面性能（理論比沖/密度比沖/海平面比沖/真空比沖）介于液氫液氧和液氧煤油之間，適于采用比沖較大的分級(jí)燃燒循環(huán)（起飛級(jí)&上面級(jí)均適宜）或者膨脹循環(huán)（推力小，只適于上面級(jí)），并同時(shí)采用較為安全可靠的富燃循環(huán)，便于發(fā)動(dòng)機(jī)重用，燃料成本低。對(duì)于上面級(jí)和長期在軌飛行器，它的存儲(chǔ)特性比液氫液氧好得多，比沖又大大高于肼類燃料組合，優(yōu)勢更加明顯。

最近若干年，出于下一代運(yùn)載火箭在成本控制、部件重復(fù)使用方面的考慮，世界主要航天大國都加強(qiáng)了對(duì)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)、預(yù)研的投入。這其中力度最大的是美國，有多種以實(shí)用化為目標(biāo)的甲烷引擎正在研發(fā)中，包括SpaceX的猛禽（Raptor）項(xiàng)目。液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)和液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)上共通性很強(qiáng)，而美國恰好在液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域積累豐厚，各種循環(huán)模式（燃?xì)獍l(fā)生器/分級(jí)燃燒/膨脹循環(huán)）、各種推力等級(jí)（從10噸到數(shù)百噸）、的實(shí)用型號(hào)都有，且性能一流，大力研發(fā)新一代甲烷引擎，也算是發(fā)揮自己的強(qiáng)項(xiàng)。

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