編輯嚴選ARRC 太空科普｜混合式火箭是莫名的堅持？
編輯嚴選
2020/05/13閱讀時間約 11 分鐘
什麼是『類衛星載具』?
是什麼原因讓ARRC堅持使用混合式火箭推進技術呢?
從下圖看起來，混合式火箭集合所有化學火箭的優點於一身，應該是很完美的設計，但為什麼現在火箭的主流並不是混合式火箭呢?
混合式火箭沒搞頭吧，幹嘛不做液態火箭?
小編近期發覺好像不少人都有類似這樣的疑問，乾脆直接寫這篇給各種”資深”航太迷的科普文。
美國大學生做的火箭都飛到100公里了?
這邊要先提一下探空火箭與入軌火箭的能量等級差異，探空火箭的任務目的通常是只要往上飛高就好了，並不管引擎可控性或效率高低，就算引擎在可能70公里熄火，靠著速度慣性飛到100公里以上仍是可以的，端看任務目的。
入軌火箭就不是這樣看了，除了高度，還必須要有可以進入軌道運行的速度，也就是需要可以繞地球轉的水平速度。可以想像，要精準達到該速度，整個火箭引擎必須運作到抵達軌道的那一刻。
另一個要提的是飛行控制等級的差異，傳統探空火箭因為目的只要飛高就好，基本上並無飛行姿態控制，靠的是火箭尾翼的氣動力穩定(如旋轉穩定或類似射弓箭的概念)。也因此主要都是透過發射前的飛行軌道計算，並使用發射架來達到升空前極高初始速度進行發射。這也是目前台灣過去發射探空火箭或一般飛彈的模式。
HTTP-3S當時設計就是有尾翼，並利用發射架使火箭加速至高速才離架來進行發射。
現在我們更進一步，調整成可垂直起飛且不需要發射架與尾翼的HTTP-3A，而A就是Advanced的意思。
撇開使用全固態入軌火箭那種較不精準的飛行控制方式。入軌火箭因為有進入軌道的需求，通常一定會有推力向量控制系統(thrust vector control, TVC)與推力大小控制系統(throttle control) ，甚至重新點火能力(re-ignition)，為的就是可以控制火箭的飛行方向與速度。用比較生活化的方式比較兩者，大概就是迴力車與自動駕駛車的差異。
這也是為什麼我們會去定義『類衛星載具』，因為技術難易度天差地遠。開發火箭的過程難以一步到位，我們必須進行技術的前期驗證，而這也是我們進行中的HTTP-3A計畫。當這個技術得到嚴格的飛試驗證，火箭入軌就自然會水到渠成！
類衛星載具定義:
- 有能力依規劃軌跡與姿態飛行至次軌道，進行科學或工程實驗；
- 火箭引擎技術性能至少真空比衝值超過300秒且具推力向量控制、推力大小控制與重新點火能力；
- 火箭具類似衛星載具導引導控(Guidance, Navigation & Control; GNC)能力；
- 具Hard RTOS (即時作業）航電軟、硬體系統；
- 採用輕量化結構，如碳纖維複材技術與其他相關材料。
所以為什麼現在火箭的主流並不是混合式火箭呢?
這可能要從固態火箭、液態火箭與混合式火箭的差異開始說起。再來是火箭推進系統的供流系統設計主要分幫浦供流(pump feed)與加壓供流 (pressure feed)。以上因為維基百科都可以查的到，這邊不贅述。以下針對應用方式來說明。
過去火箭的開發一般皆是由政府主導，研發人員當然會希望自己做的是最好的設計，所以追求的是火箭運載效率。常見的指標是酬載比 (payload ratio)，定義為酬載重量/火箭的總重量。越大表示同樣的火箭重量可以攜帶越重的衛星。基本上就是火箭運載性能的一個比較數值。而影響酬載比的主要因素包含火箭結構重量比、引擎推進效率 (Isp)等等。依據公開資料，Rocket lab的electron火箭酬載比大約是1.8%，SpaceX酬載比也是大約1~2%。也就是說100公斤的火箭僅能攜帶1公斤的衛星進入軌道而已。
由於過去火箭不管是運載太空人或運載衛星，酬載的體積與重量都相當的龐大。”大型運載火箭”一般不會使用加壓供流系統傳輸燃料或氧化劑，因為儲存槽將因需耐高壓而使結構變重。幫浦供流系統則避免了這個問題，結構相對輕了很多，但缺點就是設計與實作變得太複雜。
另一個重點是引擎運作時間。過去材料科技相對較不發達，使用”再生冷卻循環”的液態火箭可以較容易達到推進時間300秒以上，而固態火箭引擎與混合式火箭引擎由於無燃燒室冷卻系統設計，很少有推進時間超過120秒的。而在相同的總推進能量下，較長的引擎運作時間，也就代表著較小的引擎推力，這使火箭引擎的供流系統管路甚至燃燒室結構可以更輕巧。
其實，混合式火箭從1933年附近開始有紀錄的使用，因此並非新的技術。混合式火箭同樣可以使用幫浦供流系統，但因為是將燃料放在引擎燃燒室，其體積勢必會比液態火箭的引擎燃燒室大。若混合式引擎無特別設計，結構重量很難減輕。另外，使用固態燃料的混合式火箭，安全性是優點卻也成了他的主要缺點。固態燃料導致了氧化劑與燃料不容易混合，使得引擎燃燒效率偏低。固態燃料放在燃燒室中燃燒，難做任何額外的流量控制設計，這樣又要怎麼去設計穩定且高效率的火箭引擎呢?
也因此，混合式火箭引擎在過去因為材料科技的限制，就出現了要比結構重量比不過液態火箭引擎，要比構造簡易性和推進系統體積也比不過固態火箭引擎的狀態。測試與分析軟硬體受限的情況下，開發混合式火箭引擎也並不容易，效益也不高。間接導致過去的火箭開發主要皆針對液態火箭引擎與固態火箭引擎，也產生了後續的資源排擠效應。事實上，使用LOx (液態氧)的混合式火箭引擎理論Isp性能其實並不會比目前主流的LOx/RP-1液態火箭引擎差，甚至在燃料配方動點手腳還可以比液態引擎好。適當的氧化劑與燃料選擇甚至可以有比固態火箭還要好的單位體積推進性能。
那為什麼要使用混合式火箭?
隨著材料與電腦科學的進步，混合式火箭的開發出現了轉機。例如提升混合式火箭的燃燒效率甚至使用碳纖維複合材的結構輕量化。衛星的微型化也讓小型衛星的運載需求出現，小型運載火箭的發展開始有了出路。
混合式火箭應用的其中一項經典案例是美國維珍銀河使用於太空船二號的火箭引擎就是混合式火箭引擎。雖然使用的是N2O (笑氣)為氧化劑，效率可能較低所以一直沒公開。但仍是混合式火箭在實際應用上的里程碑。該款引擎的推力有32,000公斤，使用了碳纖維纏繞結構體與工作時間60秒，是目前現役規格最大且實用化的混合式火箭引擎。
混合式火箭的主要亮點就是安全與低成本。固態的燃料避免了了火箭產生大爆炸的可能。低成本小型運載火箭的開發需求，讓混合式火箭有了發揮的空間。火箭縮小不但可使用更為簡單的加壓供流系統，碳纖複合材料的結構輕量化、適當的火箭引擎推力需求皆給了混合式火箭一個適合的舞台。
安全性的經典案例是1990年代，美國AMROC超大型混合式火箭發射失敗時的紀錄影片，雖然整支火箭燒了起來，但並沒有爆炸。(9分08秒開始)
對小型衛星運載火箭有興趣的也可以看看下面網站整理的資料，可以發現從2014年開始小型衛星載具的民營公司各種出現。其中也有好幾個是打算使用混合式火箭推進技術的。當然想發射衛星也不是短短6年就可以成功，真正有成功發射衛星上去的目前也不多就是。
可是國外都使用液態火箭，為什麼不研發液態火箭引擎技術?
我們相信，只要再精進混合式火箭引擎的系統，可以有不輸液態火箭的性能甚至可能再超越。除了使用幫浦供流、碳纖維複合材料輕量化、長燃燒時間等其他火箭引擎已使用的方式，混合式火箭的深推力節流控制 (deep throttle)、簡單且可不限次數重複點火的特性，甚至是可善用混合式燃燒的物理化學特性，設計新型且系統簡單的吸氣式推進系統 (air-breathing propulsion)都是潛在可超越液態火箭引擎的能力，可大幅提高酬載比例，而且最重要的是成本更低更安全!
所以到底混合式火箭能不能發射衛星?
當然是可以的!
雖然目前混合式火箭因為先天結構重量相對於液態火箭比較重，氧化劑的選擇造成可能較低的推進Isp表現，造成了衛星載具設計上會有比液態火箭低的火箭酬載比性能。但只要火箭能量充足，仍可攜帶衛星進入軌道。如前述，混合式火箭的亮點是在火箭的安全性與成本。
ARRC針對混合式火箭的衛星載具構型也是提出了不少方式，採用雙氧水的混合式火箭引擎燃燒效率達到了接近97%以上，理論真空Isp達到300 s以上。引擎推力的控制 (throttling control)、再點火 (re-ignition)甚至推力向量控制 (thrust vector control)皆進行了不少驗證。而這更是近期HTTP-3AT空中懸浮飛行測試的主要測試目的。
Throttle control & re-ignition test
Thrust vector control test
HTTP-3AT Tethered flight test
我們要證明混合式火箭是可以如同液態引擎一般穩定的控制。
這在過去是前無古人後無來者的，或僅止於紙上談兵，過去類似的測試都是使用液態火箭引擎。
國外的空中懸浮飛行測試影片
而美國SpaceX使用液態火箭引擎來達成火箭回收的技術，理論上只要控制技術夠好，混合式火箭也可以做到。
尤其針對入軌段火箭 (upper-stage)，為了要能精準進入軌道，目前世界各國設計皆以可控性較好但成本高昂的液態火箭為主。但因為該段火箭已經進入軌道，火箭飛行速度過快，且高度過高，即使是SpaceX的入軌段火箭仍是單次使用而無法回收。如果我們使用的是低成本的混合式火箭引擎系統作為入軌段火箭，將有更強大的成本優勢。
此測試的成功將證明我們在控制混合式火箭的能力是世界第一。
未來我們一定而且很快就會證明混合式火箭是可以攜帶衛星進入軌道。
補充其他的參考文獻:
- 混合式火箭的發展歷史; Paweł Surmacz, Grzegorz Rarata, “Hybrid Rocket Propulsion Development and Application”, Hybrid Rocket Engine Technology Demonstrator, 2009
- 近期還有挪威的NAMMO所開發的混合式探空火箭在2018年飛到了107公里; Martina Faenza, Adrien J. Boiron, Bastien Haemmerli and Constans J. Verberne, “The Nammo Nucleus Launch: Norwegian Hybrid Sounding Rocket over 100km” , AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum, AIAA 2019-4049
- Nasa也曾討論過要在火星上使用混合式火箭引擎; Hybrid Rocket Propulsion for a Low Temperature Mars Ascent Vehicle
- 對全世界第一家採用混合式火箭的民營火箭公司AMROC為什麼會倒閉的歷史有興趣可以看下面這篇; Getting Into The Launching Business: The Amroc Story
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