Bench Rocketry - 本徹火箭工程部 資料整理……part1

來談談一些業餘火箭用的固體燃料。
　　基本上比較常見的就是硝糖和RNX，APCP性能更好，但製備需要用上抽真空設備去除氣泡，二來原料比較貴也比較難入手，成本實在太高了。(窮人表示用不起，說到底我也不想在燃料上花太多的預算。)

　　RNX和硝糖同屬硝酸鹽複合推進劑，成分分別為硝酸鉀+環氧樹脂+氧化鐵以及硝酸鉀+糖。
　　推進劑燃燒的化學是門學問另外開一篇講可能會比較好，平常只要知道這些東西湊在一塊能燒起來就可以了。
　　硝糖可以說是最著名，甚至是絕大多數接觸業餘火箭的人碰的第一種推進劑。歷史可以一路追朔至1970年代，成熟可靠。十月的天空裡面所謂的「火箭糖」或是現在網路上可以看到的「Sugar Rocket」指的就是這個，可以簡單的理解為硝酸鉀受熱放出氧氣使糖燃燒，硝酸鉀作為氧化劑，糖則作為燃料與黏合劑。視糖的種類可以分為三種，KNSU (蔗糖)、KNDX (葡萄糖)和KNSB (山梨醇)。
　　我對硝糖可以說是又愛又恨，好處吧，不易過壓、方便製作而且成本白菜價，即使在較低的燃燒室壓力下也能有不錯的燃燒速度。
　　推進劑在不同壓力下的燃燒速度都不相同，在燃燒室壓力不變的情況下，燃燒速度越快意味著等壓下能有更多的氣體被排出，提高了質量流率。火箭發動機的推力受排氣速度與質量流率影響，低燃燒室壓力意味著排氣速度不會太高，硝糖的特性使它在低室壓下也能有不錯的性能表現。
　　要說缺點吧，它是火箭推進劑中極少數需要經過熱處理的。 (因為要把糖熔化成液態後混入硝酸鉀粉末，並在液態糖混著硝酸鉀粉末的情況下進行澆鑄。)硝糖很容易點火(硝糖粉末甚至可以拿來作為發動機的點火藥)，自發性燃燒的溫度也比較低 (大概三四百度)，做燃料有機率做著做著自己燒起來 (通常是因為忘了一直攪拌導致局部溫度超標)，澆鑄時也可能會手殘被燙傷。
　　而且因為如此，澆鑄完畢後的藥柱要是有問題幾乎不可能重新加工，只能丟棄。 (凝固的藥柱非常硬幾乎不可能靠手工處理，但是上電動工具的話嘛，可能處理到一半就因為溫度過高又自己燒起來了。)
　　RNX做起來就方便得多，不需要經過加溫把所有的東西混在一起攪拌均勻就可以拿去澆鑄了。RNX也比較難點火，這倒不是太大的問題，反而因為比較難燃燒的關係甚至能直接弄一個實心的藥柱放上車床車……
　　燃料的保存性上，硝酸鉀和糖全部都溶於水，硝酸鉀還會吸水，因此必須放在乾燥環境保存，RNX就沒有這方面的問題，耐放性遠大於硝糖。
　　不過要發揮RNX的特性需要更高的燃燒室壓力，因為低壓下燃燒速度太低的特性，在低壓下RNX的表現甚至還不如硝糖。
　　從推進劑的特性來看，硝糖因為比較「硬而脆」(畢竟是熔化後重新凝固的糖，想像看看廟會的畫糖，可以用牙齒咬碎)，當燃燒室壓力提高到一個門檻後，過高的壓力容易讓藥柱出現裂縫。燃料的燃燒面積越大燃燒室壓力就會越高，而出現裂縫意味者壓力會不正常的上升，使發動機產生爆炸的危險；而RNX使用的環氧樹脂本身更堅固也有一定的彈性，也可以承受更高的壓力。
　　換言之，在確保推力足夠的狀況下 (業餘火箭談不上入軌什麼的，推重比總得能讓火箭飛起來)，相對來說RNX適合做高燃燒室壓力的發動機，硝糖適合做低燃燒室壓力的。但更高的燃燒室壓力意味著也要把發動機殼體造得更大更重，一來一往下尺寸較小的發動機也並不適合太大的燃燒室壓力。
　　簡單來說，硝糖適合做小發動機，RNX適合做大發動機
　　但RNX這個「大」是可以一路做到公里級別的射高的，在有法規限制的地方比如台灣，想避免麻煩就必須壓低射高，這也造成實際能上天的火箭中幾乎沒什麼RNX發揮的空間，如果目標是實際發射的話基本上還是只能選擇硝糖。
　　前面提到硝糖視糖的種類可以分為三種，KNSU(蔗糖)、KNDX(葡萄糖)和KNSB(山梨醇)。這三種推進劑彼此的燃燒特性也有區別，但製作方法其實都相同。基本上要嘛重結晶，要嘛是把糖烤熔後拌入硝酸鉀。哪一種方法比較好可能和個人的手感以及習慣比較有關係……不過理想狀況下最後澆鑄時的狀態都一樣，就是均勻混著固體硝酸鉀粉末的熔化狀態下的糖所組成的黏稠膏狀物，因此影響製作的因素其實也就是三種不同的糖的熔點以及在熔化時的操作特性。
　　而山梨醇的熔點遠低於另外兩個，熔化狀態下的流動性也是最好的，烤焦的問題也相對容易控制，而這反應在製作難易度與安全性上的優勢是相當巨大的，巨大到很多時候可以不去管不同硝糖之間的差異。若是以可以上天的小火箭為目標，KNSB依然是目前的首選。

原文轉貼自: Bench Rocketry - 本徹火箭工程部