吃进轨道:一种会吞噬自己的火箭可能很快要升空

2018-09-24 13:14 superstition

  把卫星送进太空要费很大力气。一般来说,火箭的有效载荷只占起飞重量的 5% 左右。余下的载荷中,发动机占了一部分,但大部分是火箭推进剂(相互反应以产生进入轨道所需推力的燃料和氧化剂)以及处理这些推进剂所需的部件(储箱、泵、阀门、管道和容纳它们的箭体)。

  这些部件不仅成本高昂,本身的质量也需要额外的燃料来推进。如果可以不用这些部件,设计出仅由有效载荷、发动机和推进剂组成的火箭,就能提高效率。

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  这正是一个研发团队希望实现的目标。他们把自己的设计叫做「自噬」火箭。该团队由英国格拉斯哥大学(Glasgow University)的帕特里克·哈克尼斯(Patrick Harkness)和乌克兰第聂伯彼得罗夫斯克国立大学(Oles Honchar Dnipro National University)的维塔利·叶梅茨(Vitaly Yemets)领导。这种火箭的箭体是一个由燃料和氧化剂构成的坚固圆柱体。发射时,发动机位于这个圆柱的底部。但在火箭到达轨道的过程中,发动机会一路向顶部吞噬燃料,消耗掉火箭的结构。这将减少发射重量,从而节省燃料。哈克尼斯和叶梅茨在刊载于《航天器与火箭杂志》(Journal of Spacecraft and Rockets)的文章中说,他们现在已经对这种火箭发动机进行了第一次地面试车。

  不消说,他们提出的设计需要用到固体的燃料和氧化剂。固体火箭常见于军事应用,例如洲际弹道导弹,但由于其推力很难控制,因而不太常用于发射卫星。就像窜天猴(它们本身使用的就是固体燃料)一旦点着引线,燃料的燃烧就不受控制了。液体火箭是卫星发射的首选,因为它们的推力可以通过改变推进剂到发动机的流速来调整,也就更容易将有效载荷准确地送进轨道。但哈克尼斯和叶梅茨认为他们的自我消耗设计也可以克服这个难题。

  他们设计的发动机燃料是一个由聚丙烯制成的空心圆柱体,这种塑料的硬度和强度足以用作火箭外壳。圆柱体中间填充的是两种氧化剂高氯酸铵和硝酸铵的粉末混合物。在发动机试车时,研究人员使用液压顶将药柱推进已预热的发动机中,在这里和一个经专门设计的汽化表面接触。这个表面需要被加热以令燃料和氧化剂汽化,表面上的穿孔将分别收集两种气体并将它们导入燃烧室,在那里混合燃烧。要启动这个过程,汽化表面必须首先被一台燃气燃烧器加热到工作温度(在经营模式中将用电力加热)。但是一旦系统启动并运行,汽化和燃烧就开始自行维持。而且,通过改变药柱进入发动机的速度,就可以控制所产生的推力大小。

  当然,真正的火箭是没有液压顶来输送燃料的。但哈克尼斯希望牛顿运动定律能够解决这个问题。虽然测试原型的动力还不足以验证这一设计理念,但他们的想法是发动机的加速度将能不断克服药柱的惯性,迫使药柱抵靠汽化表面并使其消耗。此外还可以对这一过程加以调节,方法是使用某种节流阀来减缓向发动机输送药柱的速度,从而实现对推力大小的控制。相比之下,燃料「在原位」燃烧的普通固体火箭就无法用这种方式控制推力。

  事实上,哈克尼斯和叶梅茨提出的自噬设计不大可能令那些使用大型液体火箭发射重型卫星的机构感到担忧。火箭运力提升的原理意味着,减少部件的拖累对小火箭比大火箭更有价值。但对于越来越多被送入太空的小型卫星来说,装有自噬发动机的小型固体火箭可能会成为理想的发射装置。哈克尼斯认为,这种火箭甚至可以用于发射单个的立方体卫星(CubeSat),这是一种体积为 1 升、最大重量为 1.33 公斤的卫星。

  目前,大多数立方体卫星都是被成批地装载在大型液体火箭上,和其他有效载荷一起发射的。就连最近开始提供立方体卫星单独发射的公司火箭实验室(Rocket Lab)也使用液体火箭。然而,固体火箭比装满液体燃料的火箭更易于操控。因此,尽管可发射的自噬火箭仍需数年才能投产,但是一路「吃」进太空的运载火箭似乎仍是一个颇有吸引力的想法。

责编:王楠
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