火箭使用液態、固態或混合燃料有何差異?

2020-05-02 | 譯編者: 審訂員:奕德


SpaceX Falcon Heavy 火箭發射(圖片來源:SpaceX)
SpaceX Falcon Heavy 火箭發射(圖片來源:SpaceX)

本篇文章內容由國立中央大學太空科學與工程學系服務學習課程修課學生高郁淳、侯欣妤、張雲耀和陳永捷負責彙整、撰寫,並於課程中進行內容討論與修正後提供太空新知發佈

火箭是透過燃燒的方式,將燃料被燃燒後的廢氣高速向後拋射,產生飛行動力。因此,火箭引擎要能順利運作,必須要攜帶燃料以及協助燃燒的氧化劑。燃料跟氧化劑可以是固態或液態的方式呈現。燃料燃燒後透過向後產生推力所造成的速度變化可寫為Δv=veln(m0/m1),其中,ve為燃料噴射速度,m0為推進前的總質量,m1為推進後的總質量。由方程式可得知,噴射速度越快,推進前後總質量落差越大,拋射後產生的速度變化越大。

以下介紹三種火箭燃料,分別是液態燃料、固態燃料以及混合燃料。

 

液態燃料火箭示意圖
液態燃料火箭示意圖

1.液態燃料:

液體燃料火箭之主要優點為控制容易,可以透過閥門停止供應燃料並再重新啟動;其單位燃料可提供的衝量比固體燃料火箭高出許多;其燃燒室與噴嘴可設計成可動式,便可以調整角度來控制火箭飛行時的方向或姿態。此外,也比較易於發展成巨型的運載火箭,只要加大燃料槽的體積即可。缺點為燃料火箭將氧化劑(多為液態氧或液態氟)與燃料(多為液態氫)分開儲存,燃燒時才經由幫浦及管路連結混合,且就液化氫而言,在儲存上就有問題,例如液態氫的沸點為-253℃,多數氣體(包括空氣)遇到冰冷的液態氫就會被凍成固態。再加上又液態氫的活性非常高容易產生反應,如果有任何的缺失就可能造成重大的意外。另外,引擎和燃料室較為複雜的結構,也使得液態燃料火箭相較固態燃料火箭來說比較脆弱。

 

 

固態燃料火箭示意圖
固態燃料火箭示意圖

2.固態燃料:

固體燃料火箭的優點為構造簡單、維修保養容易;其缺點是單位燃料可提供的衝力較小且較難控制反應。固體燃料火箭把燃燒時需要的氧混合進燃料中,點火後就會觸發反應,再加上所需要助燃劑(氧)已經混合在燃料之中而無法被隔離,因此一但點火燃燒後就無法停止直到燃料用盡為止。燃料與氧化劑的反應速度幾乎無法即時控制,只能透過改變燃料的表面積以及成分來調整反應的快慢速度。通常燃料會被加工成圓柱體,使得燃料可以整齊的放在火箭發動機中,而且讓容積效率最大化。若是以成分而言,較常見的固態燃料為鋁,氧化劑為過氯酸銨(NH4ClO4)。

 

 

混合燃料火箭示意圖
混合燃料火箭示意圖

3.混合燃料:

2013年間,維珍銀河(Virgin Galactic)決定把引擎的固體燃料由合成橡膠改為尼龍材料,以增加燃料裂解率來提升火箭的推力。雖然在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,但在這次實驗中,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,而讓飛行員獲得跳傘逃生的機會。如果此次事件是發生在液態火箭或固態火箭上,必然會發生空中爆炸造成更為嚴重的後果。這樣讓火箭製作時開始選用相對更安全的混合式燃料來代替液態跟固態燃。

混合火箭的組成架構相當簡單,其基本樣式由氧化劑供應槽、控制閥門、燃燒室、噴注器、燃料藥柱、推力噴嘴,加上點火器組成。常見的混合火箭採用固態的燃料以及液態的氧化劑。和固態、液態火箭同樣屬於化學火箭,有能夠控制推力大小、成本相對低等特性,同時具備更高的安全性。常見的氧化劑包括液態氧、一氧化二氮(N2O,俗稱笑氣),而常見的燃料包括橡膠、石蠟、高分子化合物,例如:成功大學使用石蠟跟一種液態橡膠 (端羥基聚丁二烯) 的混合物來做為燃料,再以一氧化二氮(N2O)作為氧化劑,兩者都是安全、價格低廉、容易取得的物質,且燃燒時排放非常乾淨,可以稱得上是一款環境友善的飛行載具。

 

 

 

三種火箭燃料比較圖
三種火箭燃料比較圖

比較三種燃料的差異後,整體而言固液混合燃料有著固態及液態燃料的優點,也較能避免兩者的缺點。不過固液混合燃料的發展時期較短,相較傳統的前兩者型態較不成熟,且其比衝值(單位重量燃料所能提供的衝量)仍須突破,成為了現今多數國家(包括我國)積極研究的目標。

 

 

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由中央大學太空科學與工程學系服務學習課程學生組成,利用課程進行太空新知網羅和文章編撰。

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