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成本低適合重用 液態甲烷火箭成新寵

【明報專訊】自從美國和前蘇聯在20世紀開始太空探索活動以來,基本上都是由液氫火箭獨領風騷,主要是因為其推力大。若要稍為節省成本,則主要使用煤油(火水)火箭。

隨着衛星發射和載人航天活動愈來愈講求成本效益,不再單純為了面子和軍事用途,液態甲烷火箭已一躍成為國際航天界的新寵兒,代表了航天火箭的最新發展方向。估計液態甲烷火箭將成為今年航天界的最大看點,多家公司的液態甲烷火箭紛紛登場。

SpaceX「星艦」料3月發射

據悉,現時已到了研發和測試尾聲的液態甲烷火箭,至少包括以下幾款:美國SpaceX的「星艦」(Starship)、Blue Origin的「新格倫」(New Glenn)、波音和洛歇馬丁的合資公司United Launch Alliance(ULA)的「火神─半人馬座」(Vulcan Centaur),以及2015年才成立的中國大陸初創企業藍箭航天空間科技股份有限公司的「朱雀二號」。

其中,藍箭航天曾經在去年12月14日在酒泉發射「朱雀二號」,乃全球首次發射液態甲烷火箭。可惜「朱雀二號」雖然成功升空和進入軌道,但因為故障問題,整體飛行任務仍以失敗告終。至於SpaceX,創辦人Elon Musk今個月較早時曾在Twitter上表示,「星艦」最快可以在2月底發射,但較可能是在3月份。而Blue Origin和ULA亦準備在今年或最遲明年首次發射它們的液態甲烷火箭。

究竟液態甲烷火箭為何忽然間讓多家航天公司趨之若騖呢?這主要是因為它的整體優點較多,成本較低,不像某些固體燃料般產生有毒物質,而又適合多次重複使用。

「比衝量」是衡量火箭引擎的燃料的能量利用效率的一種標準。液氫火箭的比衝量高達457(即是1公斤燃料可以持續457秒產生1公斤推力)。液態甲烷火箭的比衝量要低一截,大約是365至380,略高於煤油火箭的大約347至355。

密度遠高於液氫 無積碳問題勝煤油

不過,氫的其中一大缺點是密度太低,即使是液態氫,其密度亦只是70g/L,仍嫌太低。而煤油的密度則是813g/L,液態甲烷則是422g/L。由於液態氫的密度很低,所以其儲存罐的體積比煤油和液態甲烷的儲存罐大得多。儲存罐的體積較大,結構重量也自然較大。這在一定程度上,削弱了氫的比衝量高的優勢。

氫的另一大缺點是,要低至攝氏零下253度才成為液態,這比液氧的零下183度還要低大約70度。因此,液態氫的儲存成本極高,火箭的設計也比較複雜。而且,液氫和液氧的溫差這麼大,兩者的儲存罐必須有所分隔和絕緣。不然,液氫的超低溫會將液氧凍結成固體。

同樣地,煤油和液氧的溫差亦很遠(煤油在常溫下已是液態),煤油儲存罐和液氧儲存罐亦必須有所分隔和絕緣。否則,煤油也會變成固體。相比之下,甲烷在零下162度已變成液態,液態甲烷和液氧可以保存在相若的溫度,兩者的儲存罐毋須特別分隔和絕緣。

整體上,液態甲烷火箭的設計難度略高於煤油火箭,但比液氫火箭較簡單、難度較低。而且,甲烷的生產難度並不高,從天然氣直接提純液化就行。液態甲烷的生產成本低於液氫,以及昂貴的固體燃料和聯胺類液體燃料。

而棄用煤油火箭的最大原因是,其發動機有嚴重的積碳結焦問題,只適合一次使用,不適合多次回收重用。液態甲烷火箭則沒有這個問題,省卻清理工作,維護方便。只要發動機不燒壞,理論上可以無限次重用。

其他星球易搵到甲烷 方便星際探索

最後,理論上,液態甲烷火箭也比較適合人類進行星際探索時就地利用資源。因為甲烷在其他星球上比較容易找到或者合成。例如,在冥王星和土衛六泰坦上,都有深不見底、由液態甲烷形成的湖泊。相比之下,煤油的分子結構複雜,在其他星球上很難找到。因此,綜合眾多因素來考慮,液態甲烷火箭的整體優點較多、成本較低,也是可回收火箭的最佳選擇。

現時最令人期待的,就是SpaceX的「星艦」。因為「星艦」是可以完全重用的兩級火箭,這比SpaceX現正使用的「獵鷹9號」暫時只能重用第一級以及整流罩,還要更進一步。而且,它的運載能力比「獵鷹9號」和「重型獵鷹」更大,發射至近地軌道(LEO)的最大載荷高達100噸。

估計「星艦」每次足以發射300枚或以上的「星鏈」衛星,可以將平均發射成本進一步壓低。對於未來發射6G衛星,以及「天基太陽能」(Space-based Solar Power)衛星的可行性,這非常重要。

明報記者 薛偉傑

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