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混合式火箭的技術與應用
太空旅行是大多數人的夢想,而混合式火箭具有進入太空所必要的極佳安全性,是其他火箭技術所欠缺的。
 
 
 
混合式火箭的再起

國際知名的TED Talk經常討論到一些鼓舞人心,以及讓人耳目一新的題材。TED代表著「科技、娛樂、設計(technology, entertainment, design)」,談話內容則標榜「值得傳播的想法(ideas worth spreading)」,並提供創新發展的突發奇想與預測所需的討論平台。

1984年首場系列的TED Talks 所談及的想法與概念,包括筆電、智慧手機、觸控面板、3D列印等,在20年後的2000年初期,大多已在現實生活中實現。

另一個值得一提的是,美國航太發明家伯特‧魯坦(Burt Rutan)在2004年10月以劃時代混合火箭的太空飛機1號(Space Ship One)贏得1千萬美元的安薩里X大獎(Ansari X prize),並於2006年受邀給了一場 TED突發奇想,表達他對未來太空探索及太空旅行民營化的憧憬。他隨即獲得企業家理查‧布蘭森(Richard Branson)的投資成立「維京宇宙公司」,得以設計太空飛機2號(Space Ship Two),正式展開打造太空旅行的全球太空發射站系統。

混合式火箭的發展

同一時期在美國的另一個角落,網路與科技天才伊隆‧馬斯克(Elon Musk)也啟動了航太業另一個革命性的嘗試。他利用在網路世界所創造的財富,創立了完全私人投資的火箭公司「太空探索公司(Space X)」,立志以民間力量取代美國航空暨太空總署(NASA)及空軍的太空發射的角色。

經過幾番努力之後,Space X 設計的第一型火箭載具「獵鷹一號」終於在2008年9月28日的第四次試飛,發射成功並進入了軌道。接著,Space X 開始發展第二型發射載具「獵鷹九號」,並已成為運送物資往返國際太空站的主力之一。伊隆‧馬斯克在2013年接受TED Talk訪問時,暢談到他另些新科技的想法,包括電動車、太陽能城市、人類太空旅行、移民火星及前往其他星球等。

這些讓一般民眾也能進入太空的夢想能夠實現嗎?當然,所有創新的技術與做法,尤其是航太相關的尖端技術,都需要堅定的決心與毅力,逐步克服各種的挑戰,以向外界證明技術的可行與可靠。

以Space X的獵鷹一號火箭載具為例,伊隆‧馬斯克向外界宣稱這項技術可使衛星發射的費用減半,但在2006年3月24日、2007年3月21日,以及2008年8月3日,卻歷經連續3次發射失敗的挫折。馬斯克在2013年TED Talk時回憶表示,如果再多一次的失敗,Space X會陷入倒閉的困境。

還好,他們的團隊利用前3次飛行的數據,對火箭系統做了完備的修正,在一個半月後的第4次試驗,成功地把一個模擬衛星送入地球軌道,正式展開其太空發射運載的服務。當然,美國政府在這過程中也扮演了積極扶植的角色,包括美國空軍給了Space X很多合約,提供飛彈防衛系統測試中的靶彈發射服務,幫助Space X改進設計及累積發射作業的經驗,以及對公司整體營運的諮詢幫助。由這個例子可以看到一個國家整體科技發展策略的具體表現。

挑戰太空旅行的Ansari X prize,其實早在1995年就已宣布了,而世界上各私人航太團隊也都各自展示了其技術與設計。惟最終是由伯特‧魯坦的團隊以Space Ship One太空飛機系統在一周內完成兩次發射超過100公里太空邊緣的飛行,並安全返回降落的表現,贏得了1千萬美元大獎。

但之後更大型的Space Ship Two太空飛機系統的發展並不順遂,包括在2007年7月26日的氧化劑處理不當,造成3人死亡的爆炸事件,以及2014年10月31日的試飛中因飛行員操作錯誤,造成火箭引擎啟動不久就因太空飛機的尾翼轉成返回大氣模式,致使飛機在空中解體,一飛行員成功跳傘,另一飛行員殉職的事故。這些不幸雖然重重地打擊了維京宇宙公司的聲譽及士氣,但他們沒有改變建立太空旅行產業的目標,保證會繼續發展並克服所有困難。

當然,航太技術的創新是個不容易克服的挑戰。其中首要的關鍵就是火箭推進技術,它決定了整個飛航系統的效益、安全性及複雜度。首先,為了乘載旅客的安全,太空飛機選擇了混合式火箭引擎(hybrid rocket engine)。混合式火箭及液態火箭的推力都是可控制的,不像固態火箭點火後就不能停止。而由於Space Ship Two的整體載重比Space Ship One增加很多,因此混合式火箭引擎的推力需由7.5公噸(運作87秒)增加至27.5公噸(運作60秒),也就是說其總衝(推力乘以時間)需增加約2.55倍。

但在2006至2012間,他們的引擎一直無法達到這個要求。因此在2013年間,維京宇宙公司決定把引擎的固體燃料由合成橡膠(HTPB)改為尼龍材料(Nylon),以增加燃料裂解率來提升火箭的推力。很可惜的,2014年太空飛機試驗的失敗,讓他們喪失了驗證這個新引擎性能的機會。

在這次實驗中,卻意外地確認了混合式火箭的安全性。因為在太空飛機空中解體後,火箭引擎隨即停止運作並未爆炸,使得飛行員獲得跳傘的機會。至於另一位飛行員則是因意外撞到頭部昏厥,不及跳傘而喪生。如果這事件是在液態火箭或固態火箭上,必然會發生空中爆炸,後果更為嚴重。由此可知,選用混合式火箭引擎從事太空旅行應是正確的決定。

也許讀者仍會疑問:混合式火箭技術既然這麼安全,為什麼沒有廣泛地應用呢?這個問題有其歷史、技術,以及市場三方面因素的考量。火箭的技術早期是起源於1930年代及1940年代的液態燃料火箭,包括著名的美國羅伯特‧戈達德(Robert Goddard)的試驗型小火箭,以及德國的韋納‧馮‧布勞恩(Wernher von Braun)所發展的V-2火箭。二次大戰後,美蘇都根據德國V-2火箭的設計,繼續研發大型液態火箭系統,並進行了激烈的太空競賽。最後是馮‧布勞恩的團隊帶領NASA贏得登上月球的壯舉。

至於固態燃料火箭技術,則由於其輕便的特性而受到各國政府的重視,以及在軍事應用研發上的支持。反觀混合式火箭的發展,雖然在1930年代初期,蘇俄科學家及火箭之父謝爾蓋‧柯羅列夫(Sergei Korolev)已有開始試驗的紀錄,但當時缺乏設計的準則。直到1960年代聯合技術公司的化學系統部門、洛克希德推進公司、史丹佛研究中心、法國航太材料研究中心等單位都陸續投入研究,才有較密集的實驗與數據,並由聯合技術公司的馬克斯曼(Marxman)發展出第一套混合式火箭內彈道的分析理論及設計公式。

但是在那個時期,因液態火箭及固態火箭的產業已經成熟,因此混合式火箭技術並未受到重視。直到1981年Starstruck公司開始發展海上發射的海豚號探空火箭,以及1985年「美國火箭公司(American Rocket Company, AMROC)」的成立,才使混合式火箭推進的性能重獲青睞。

1995年,AMROC發展出推力高達110公噸的混合式火箭引擎,經NASA在密西西比州的實驗場完成性能測試驗證,並完成了一枚探空火箭載具(SET-1)準備試驗混合推進的飛行性能。可惜最後因液態氧控制閥受凝結水氣的堵塞,造成推力不足而告發射失敗,結束了公司的營運。

他們所累積的技術則於1998年轉賣給後來成功設計了Space Ship One混合式火箭引擎的Space Dev公司。值得一提的是,當SET-1發射失敗時,只是發射台倒下燃燒,而未如其他傳統火箭般爆炸,這事件再一次驗證了混合式火箭的安全優點。

在技術方面,則與混合式火箭推進燃燒的基本原理有關。由於混合火箭的推進劑大多是固態燃油及液態氧化劑的組合,而固態燃油的燃燒效率與推進劑的混合速率成正比,因為自然平面上的擴散式混合效率本來就不佳,使得傳統的混合式火箭引擎的推進效率較差。但AMROC發明了「篷車輪型藥柱」的設計,可增加擴散火燄的總面積,使得混合式火箭引擎的推進性能與固態火箭相近(比衝Isp約為250秒),因此成為具有競爭力的火箭推進技術。

另外,在一個成熟的產業中,新產品必須具有夠強大的干擾性,才可能脫穎而出受到市場的歡迎。因為市場中既得利益者的自我保護也會造成科技進步的阻礙,一個可參考的案例就是禁用含鉛汽油成為法規的過程。

1956年芝加哥大學的克萊爾‧卡梅倫‧彼得森(Clair Cameron Patterson)在利用鉛同位素探究地球年齡的過程中,發現了汽油中的含鉛量在長期使用時會造成人民的鉛中毒,因此開始推動禁用含鉛汽油的法規。即使科學與醫學的證據都很明顯,但這個案子的訴訟直到1976年才贏得勝利,主因是石油產業既得的龐大利益所引起的自我保護行為。

混合式火箭技術的發展與推動也遭遇到如是的情況,但太空旅行卻是能夠造成市場干擾的最佳應用。太空旅行是大多數人的夢想,而混合式火箭具有進入太空所必要的極佳安全性,這是其他火箭技術無法望其項背的。

關於混合式火箭推進性能的研究,1997年史丹佛大學提出以石蠟為固態燃料的設計,利用石蠟的低熔點特性可大幅提升燃料的燒蝕率及整體的燃燒效率。但這個方法一直受到質疑,在火箭發射的加速下,石蠟材料的結構是否能夠承受震動及應力?因此其總體性能仍需要更多的實驗及試飛來評估。

國家實驗研究院太空中心的探空火箭團隊以及國內大學研究團隊近年來在這方面也有一些創新設計的貢獻,他們利用渦流及內彈道幾何的安排,可大幅增加混合與燃燒效率,增進混合式火箭推進的比衝值,由傳統的250秒提升到接近理論理想性能的290秒。這成果超過國際上其他設計的總體性能,同時大幅縮短了火箭引擎的長度,並維持極有競爭力的引擎製作成本。

混合火箭未來展望

當然太空旅行能否商轉成功,重點在於公司的商業營運模式。維京宇宙公司自成立以來,藉著Space Ship One成功的光環,有效地行銷了太空旅行的服務,讓熱中航太的民眾得以一圓太空夢。但以每張20萬美元的高票價來判斷,應該只有社會上層的一些人才負擔得起這個費用。首批太空旅行的400張票到2009年時已訂光,而且排隊等候的人還很多,可見維京宇宙公司的營運模式應該是可行的。

然而,該公司在引擎發展上卻不順利,一直無法讓Space Ship Two太空飛機加速到可以爬高至大氣邊緣100公里處所需的3,200公里時速(也就是每秒889公尺的速度)。即使在2013年更換了引擎設計,性能仍然不足,又發生空中解體的事件。這些充滿不確定的發展過程使得一些投資者及已經付款的顧客信心逐漸動搖。

這就是航太先驅者經常面臨的挑戰,重點是經營者要能適時找到可行的替代方案,才能夠保持所有人的信心,畢竟顧客的信心在高度競爭的航太科技產業中是成功最重要的保證。不過,就算維京宇宙公司的新興行業最後沒有成功,相信其他的後起之秀會取而代之,走出實現太空旅行夢的康莊大道。
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