为什么在spaceX之前美国和苏联不使用甲烷火箭呢?

先说SpaceX为什么用甲烷

这里面有一个很容易被人忽略的问题

面积-体积定律

假设一枚火箭长径比不变，重量增加至原来的8倍，但火箭底部的面积只会增长至原来的4倍

火箭的发动机全部安装在底部，这就导致总推力增加至8倍，但推力盘的面积只有4倍

所以发动机的推力/面积比必须提高1倍（另一种方法是缩小长径比，但火箭做长容易，做粗就难了）

做小型/中大型火箭，不必太在意推力/面积比

但是如果做重型和超重型火箭，发动机推力/面积比就是极为重要的指标

土星5号的F1发动机推力/面积比很差，10米的直径只能勉强装下5台

而星舰需要在9米直径下实现土星五号两倍的推力，将来可能增加至3倍

如何提高推力/面积比？

答案是增加发动机室压

什么样的发动机室压最高？

以现实情况综合来看，目前甲烷/液氧全流量分级燃烧的室压可以做的最高

高室压有一个严重的问题是轴系密封，以富燃分级燃烧的RS25为例，高温高压的富氢燃气会沿着轴的缝隙进入氧泵，引发爆炸，解决方法是加一套氦气密封装置

全流量的富燃燃气如果泄露，会进入甲烷泵，而不是氧泵，所以漏一点也没事

全流量分级燃烧是先天高室压圣体

煤油在富燃环境下积碳严重，没法做全流量

液氢可以做，但是液氢太难伺候了，如果做200吨级全流量氢氧机，价格会非常逆天，没有商业公司会研发这玩意

马斯克在采访中说过，做发动机就是选定一种燃料，然后不断的推高室压，显然甲烷是最合适的选择

目前猛禽3的室压不低于35MPa，推力面积比达到惊人的118

猛禽2为96，猛禽1为78（aspt的数据，按实际装机算）

最近，九州云箭的140吨级全流量分级燃烧正在组装，预计明年试车，推力是小了点，但推力/面积比能达到90左右，技术水平算相当高了

九州云箭在宣传的时候也重点提到该发动机可以在5米直径下装12台

六院的yf215，根据网传的数据，大概跟猛禽2一个层次

再来看平庸一些的甲烷机

蓝色起源的be4，使用富氧分级燃烧，虽然这种循环的潜力不如全流量，但做到20MPa+室压也不难

蓝色起源为了加快研发速度（实际研发速度并不快，不知道加哪去了）和方便复用（还没开始复用，复用性存疑），室压只设计了十几兆帕，推力面积比只有30左右（be4还要供应火神的高能量芯级，做了一些高空优化，推力面积比虚低，但即使排除高空优化，其推力面积比依然拉胯），新格伦的发动机舱直径快赶上星舰了，也只能装7台be4（未来可能升级至9台），星舰可是直接塞了33台猛禽

传闻蓝色起源有计划研发更大的新阿姆斯特朗火箭，be4肯定不够用了，蓝色起源下一步应该也会提高室压

室压高的另一个好处是比冲高，比冲的重要性不用多说

还有很多理由选择甲烷

煤油容易结焦积碳，甲烷结焦远远低于煤油，更适合复用

不锈钢在低温下强度变高，韧性变差，但只要修改配方，解决韧性问题，不锈钢的低温性能就非常有优势

如果你仔细梳理一遍星舰的技术路线，就会发现甲烷+全流量分级燃烧+不锈钢是非常优秀的组合

全流量同时解决了高比冲和高推力面积比两大难题；甲烷/液氧双低温组合提高了不锈钢强度，使贮箱可以做的更轻；不锈钢的导热性差，可以减少甲烷的蒸发

回过头来看为什么以前不用甲烷

我们要看清楚这样一个事实，以前的火箭产业不是一个充分竞争的成熟市场

像手机、汽车这类相对成熟市场，会在各个方面开卷，把所有能卷的可能性都卷一遍

火箭的市场一直非常小，就那么几家公司和设计单位竞争项目拨款，火箭种类看着很多，实际都是几个基础型号修修改改，所以一直没有把火箭的性能和规模卷到极致

苏联的顶级煤油机，使用闭式分级燃烧，也可以实现20MPa+的室压，美国的大型固推，推力能达到1200吨，那个时代的火箭，用这些就足够了

到了21世纪，SpaceX开始研发星舰（星舰总是拿来跟土星5号对比，但星舰的推力是土星5号的两倍，未来可能增加到3倍，比土星五号大一个级别）

极致的体量和成本控制需要极致的比冲，推力/面积比和可复用性，最后卷出来的最佳选择就是甲烷

不过，甲烷是星舰/长9这类超重型火箭的最优解，对其他火箭来说不一定

煤油有煤油的好处

20吨运力的火箭，用便宜的低室压开式循环足够了，甲烷和煤油互有优势

有一家名为ursa major的航天公司，专门做火箭发动机，固推、甲烷、煤油都做，创始人是SpaceX的前员工，按照这个公司的说法，煤油的性能不比甲烷差，只是现在全行业的趋势是甲烷，配套设施也朝甲烷转向，他们不得不研发甲烷发动机

现在研发中的火箭，大部分使用甲烷，不排除有跟风的

有些火箭（天龙3和MLV）依然坚持使用煤机