火箭为何装满氧气 — 液氧的真相

火箭起飞的瞬间，人们通常会想到燃料。煤油、甲烷、氢气。然而，在那个巨大的储罐中，实际上占据大部分体积的并不是燃料。SpaceX 的一艘星舰（Starship）装载的甲烷约为 1,278 吨，而液氧的装载量则高达约 4,500 吨。若按重量计算，火箭的机身更像是氧气罐，而非燃料罐。

这很奇怪。氧气是我们每时每刻都在呼吸的气体，占地球大气的五分之一。它看起来既不稀有，也不昂贵。但当我们追溯火箭发射延迟的原因时，却往往会发现问题并非出在燃料上，而是出在这种常见气体的供应上。

虽然大气中到处都是，但却无法随处获取

答案不在于氧气本身，而在于将其冷冻并提纯的工艺。空气是由 78% 的氮气、21% 的氧气以及包括氩气在内的微量气体组成的混合物。火箭发动机需要的是纯度在 99% 以上的氧气，而且不是气体，而是将体积缩小至 600 分之一的液态。问题的关键在于，氮气和氧气的沸点分别是零下 196 度和零下 183 度，仅有 13 度的温差。

第一个完成这项钻入狭窄温差并分离两种气体技术的人是德国工程师卡尔·冯·林德（Carl von Linde）。1895 年 5 月，林德在慕尼黑的实验室里发明了首个利用焦耳-汤姆逊冷却效应和逆流热交换原理的连续空气液化工艺。起初，只能获得氮气和氧气混合的“林德空气”。若要分别提取纯氧和纯氮，则需要精馏（rectification）步骤。他通过让液态空气在管道中缓慢流下，同时使分离出的氧蒸气缓慢上升的方式解决了这一难题。1903 年，慕尼黑附近的赫里格尔斯克罗伊特（Höllriegelskreuth）首座氧气生产厂投入运营，1910 年，同时生产氧气和氮气的双塔工艺趋于完善。

这一过程的原理与酿酒厂制作烧酒或威士忌完全相同。就像煮沸发酵液时酒精比水先蒸发一样，缓慢加热压缩空气时，沸点较低的氮气会比氧气先变成气体逸出。正如蒸馏塔内液体向下流动、蒸气向上上升多次接触一样，在空气分离装置的精馏塔内，液态空气和气体不断擦肩而过，纯度也随之逐渐提高。唯一的区别在于，酿酒厂是在室温下分离酒精和水，而该设备是在零下 190 度左右分离氮气和氧气。除了温度不同，通过沸点差异逐层剥离混合物的逻辑是完全一致的。

这样制成的液氧每升体积重约 1.14 公斤，比气态时压缩了 861 倍。这就是火箭坚持使用液氧的原因。如果用气态氧填充同一个储罐，体积将大到无法承受。

火箭不是“燃烧燃料的机器”，而是“消耗氧气的机器”

在这里，关于火箭推进的一个误解被解开了。人们认为火箭是通过燃烧燃料来产生推力的，但准确地说是通过燃烧燃料和氧化剂来产生推力。地面上的汽车发动机可以随时吸入大气中的氧气，只需携带燃料即可，但在接近真空的高空和太空中是没有氧气可供燃烧的。因此，火箭必须把氧气也一并背上去。

SpaceX 的猛禽（Raptor）发动机设计为以 3.6 比 1 的质量比燃烧液氧和甲烷。这意味着所需的氧气是甲烷的 3.6 倍。单台发动机每秒消耗的推进剂约为 650 公斤，其中氧气占 510 公斤，甲烷仅为 140 公斤。星舰第一级（超重型助推器）安装了 33 台这样的猛禽发动机。在发射瞬间，这枚火箭在几分钟内消耗掉的氧气量，相当于一个普通城市一天的氧气供应量。

这一事实改变了看待火箭产业的框架。被称为燃料技术竞争的这一产业，其半壁江山实际上是关于如何快速冷冻氧气并如何稳定供应的竞争。

纯氧并不温顺

处理液氧困难的第二个原因在于其化学性质。氧气本身不会爆炸。但它具有极强的氧化能力，即剧烈燃烧其他物质的力量。在纯氧环境下，哪怕是平时不会着火的金属零件或油垢，都可能自燃。即使是被认为不可燃的材料，暴露在纯氧中也可能着火，这是处理该气体的现场第一准则。

再加上温度问题。液氧的沸点为零下 182.9 度，一旦超过这个温度，密封容器或管道内的压力可能会飙升至危险水平。因此，所有盛放液氧的设备都不只是简单的储存容器，更像是为了防止热量不断渗入而设计的保温瓶。只要隔热层出现一点破损，液体就会膨胀成气体产生压力，一旦压力超过安全极限，就会引发事故。

瓶颈不在火箭，而在卡车车队

当所有这些限制结合在一起时，得出了一个意想不到的结果。甲烷（即天然气）拥有全球化的管道运输体系。然而，需要纯氧的产业规模要小得多，且能够满足发射场等级的液氧供应体系更是凤毛麟角。制造液氧的冷却工艺本身缓慢且耗能巨大，因此与甲烷不同，它必须在非现场的专业工厂制造。结果就是，大部分液氧不是通过管道运输，而是装在隔热卡车上通过公路运输。

从数字上看，这种不平衡更加明显。美国普通的一辆油罐车可装载约 18.1 吨液氧。要填满星舰发射一次所需的 4,500 吨液氧，大约需要 250 辆卡车排队进入发射场。为了发射一枚火箭，必须先完成相当于一个城市交通规模的物流运输。

如果发射频率像现在这样几周一次，这种物流尚能应付。但如果进入 SpaceX 预期的每天多次发射体制，情况就不同了。250 辆卡车分几天到达的方式将无法满足需求。这意味着最终必须在发射场旁边新建一套空气分离装置。即使火箭的可重复使用性降低了发射成本，决定发射频率的不再是火箭本身，而是旁边是否有足够快速冷冻氧气的设备。