01
開水當(dāng)燃料，來真的？
SpaceX的星艦都已經(jīng)第六次試飛了，觀者對于超大型火箭的關(guān)注可以說從沒降溫過：我們關(guān)注它的起落方式、隔熱層材料、燃料選擇、回收、深空二次點火等等技術(shù)細(xì)節(jié)。但實際上還有更超前、更不可思議的火箭一級助推器已經(jīng)能兼具大推重比和回收性，比如“水火箭”。
幾乎所有現(xiàn)役火箭都是靠火箭發(fā)動機向前推進(jìn)的：當(dāng)火箭發(fā)動機點火以后，推進(jìn)劑——可以是液體也可以是固體，混合氧化劑后，一起在發(fā)動機燃燒室里燃燒。幾百上千噸的燃料瞬間產(chǎn)生大量高壓氣體，然后從發(fā)動機噴管高速噴出，對火箭產(chǎn)生反作用力，送火箭上到預(yù)定的軌道。
但是如果跳過燃燒這步可以嗎？從原理和實踐來說都是可行的。美國一家致力于太空探索的非營利科研機構(gòu)Arca Space（下簡稱Arca）已經(jīng)研發(fā)出一款將傳統(tǒng)發(fā)動機省去，并可以快速送重型飛船上天的“發(fā)射輔助系統(tǒng)”（Launch Assist System，LAS）。
這款助推器的燃料箱中不再是燃料，而是被加熱到250攝氏度的高溫高壓的水。由于自帶高溫和高壓，自然也就沒必要配備傳統(tǒng)發(fā)動機，去做一系列加熱加壓的工作了。
在發(fā)射的瞬間，水會一下子爆沸，化成水蒸氣噴出，同樣利用反作用力把火箭送走。這個火箭助推器結(jié)構(gòu)乍聽起來類似于在大鍋爐下加了噴嘴，不像一個真正可以應(yīng)用的火箭，卻真的已經(jīng)走到了地面試車階段，甚至已經(jīng)有以水為推進(jìn)劑的小型軌道火箭送了10公斤物資上天。
這也再一次證明，航天事業(yè)中越反直覺的研究，反倒越可能實現(xiàn)。
02
長板突出，短板更驚人
先細(xì)說一下它的整體結(jié)構(gòu)，LAS全身上下都是復(fù)合材料打造的，這樣能夠更好地承燃料貯箱內(nèi)外的高溫高壓環(huán)境。燃料貯箱又分內(nèi)外兩層，內(nèi)層用來隔熱，保證傳導(dǎo)至外層的溫度不能高于110攝氏度，因為外層材料中有環(huán)氧樹脂，受熱就會軟化；外層則是為了承受壓力，如果溫度過高，承力體就會失效。
傳統(tǒng)運載火箭的一級助推器往往需要一套極其復(fù)雜的增壓輸送系統(tǒng)，才能保證大量高危化學(xué)品燃料能順利在幾秒內(nèi)轉(zhuǎn)化為強大的動力。但水火箭的“大鍋爐”不需要，2800多噸的水能有什么危險？
用水作為燃料的優(yōu)勢之一就是操作風(fēng)險低，能極大程度上提高運載火箭的可靠性。在發(fā)射臺上發(fā)生“鍋爐爆炸”總比由成百上千噸高能化學(xué)燃料組成、威力堪比核彈的傳統(tǒng)火箭爆炸要好多了。
可能會有人疑惑，這個水是燒好再罐裝還是在火箭內(nèi)加溫？它又是怎么一直保持高溫的直到發(fā)射以及回收時二次加壓？這就要靠鋰電池了。
在燃料貯箱內(nèi)其實有2%的良性相脫穩(wěn)劑，水是被加熱到250攝氏度后再注入“發(fā)動機”的，這個過程中部分水會蒸發(fā)；在發(fā)動機中的加熱就要靠火箭內(nèi)部的高放電鋰聚合物電池了，電池也是Arca特制的，據(jù)稱在發(fā)動機運行期間釋放的電能超過小型核反應(yīng)堆產(chǎn)生的電能，且每次發(fā)射后，太陽能和風(fēng)能都可以為其火箭的電池充電。
不過，水火箭的最大優(yōu)勢還不是安全性，而是夸張的“推重比”，也就是發(fā)動機所產(chǎn)生的最大推力與其所負(fù)擔(dān)的火箭重力之間的比例，這一點和它簡單的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。
水爆沸會有自生增壓，同時起飛時的巨大加速度又能帶來機械壓力，也能起到一定的增壓效果。這樣一來，Arca的水火箭竟然得到了極高的推重比，推重比越高發(fā)動機的推力就越大，完全可以在運載火箭從地面起飛時，用來迅速將火箭推出地球重力井的底部。
另外，由于在起飛需要最大推力，也就是排放最嚴(yán)重的階段，Arca采用的推進(jìn)劑是完全無污染的水，因而能夠大大降低運載火箭在發(fā)射時對地球大氣層的污染。
從成本角度來說，LAS也美好得像一場夢。商業(yè)火箭企業(yè)目前選擇的主要路線之一的液氧甲烷，盡管相對于液氧煤油、液氧液氫等，液氧甲烷是以價廉物美聞名，但一噸的價格也要萬元左右，而水費價格直接降維打擊。
由于燃料幾乎等同于不要錢，同時一級助推器驚人的推重比大大減少了火箭發(fā)射時的重力損失，這使得上面級可以使用相比同級火箭輕得多的推進(jìn)劑量，將更重的載荷送入軌道，連低成本之王SpaceX也很難與水火箭的報價相抗衡，據(jù)了解，Arca運力60噸的“HAAS Heavy”報價僅4000萬美元，而同級別的重型獵鷹可是9000萬美元。
03
比沖是LAS的超短板
但是比較尷尬的是，推重比極其優(yōu)秀的水火箭，比沖卻是一塌糊涂。
比沖是衡量火箭動力的重要參數(shù)，比沖值越大，動力性能也就是發(fā)動機的效率越好，通俗解釋就是每消耗一個單位的推進(jìn)劑所換來的推力大小。但是水火箭的比沖值只有兩位數(shù)，哪怕是起飛推重比最強的產(chǎn)品，在不載荷的情況也只能到達(dá)4.5馬赫的速度和50km的高度（其他產(chǎn)品一般在2馬赫左右、3km的高度），想用來直接送火箭沖出卡門線進(jìn)入亞軌道都很難。
正是因此Arca才把自己的產(chǎn)品命名為“發(fā)射輔助系統(tǒng)”，大力宣揚它的長板。在官網(wǎng)介紹中，Arca將水火箭定義為火箭第一級的輔助產(chǎn)品，“對于助推器來說，重要的是推重比，而比沖則是次要的?！?/p>
按照他們的分析，啟動時的加速度越高，軌道飛行器的飛行性能就越好。因此LAS既可以作為第一級火箭和Arca其他產(chǎn)品配合運送一些小衛(wèi)星，也可以當(dāng)作一級火箭的輔助推進(jìn)器，跟別的公司產(chǎn)品配合。且和其他商業(yè)火箭公司一樣，他們也有可回收產(chǎn)品。
LAS分一次性使用和循環(huán)使用兩種。一次性使用的水火箭細(xì)長，下接一個常見的漸縮漸擴(kuò)的喇叭形噴嘴；而可回收使用的LAS則像“星艦”的一級火箭“超重”一樣粗壯，下接的噴嘴也是特殊的環(huán)形氣尖噴嘴。
04
可回收最難的構(gòu)造
氣尖噴嘴（或稱氣動塞式噴管）不是新東西，它所代表的氣尖發(fā)動機更是發(fā)射系統(tǒng)的一個“奇跡”。之所以可回收LAS需要用到氣尖噴嘴而不是傳統(tǒng)的鐘型噴嘴，是因為可回收火箭的飛行高度更高，對推重比和比沖的要求也要更高，回收的時候還要靠氣尖噴嘴的推力室控制來精確調(diào)整姿態(tài)——氣尖發(fā)動機通過其獨特的設(shè)計，能夠在從地面到太空、臨近地面的過程中自動“調(diào)整”排氣噴射的形狀，保持更接近于理想的膨脹。
早在上世紀(jì) 60 年代，研究者就已經(jīng)把氣尖發(fā)動機視為一種能在所有大氣壓環(huán)境下使用的火箭發(fā)動機。但這個研究到現(xiàn)在，之所以也就Arca在勤勤懇懇的研發(fā)，其他研究者基本都放棄了，是因為它實在太重、風(fēng)險太大。
火箭起飛時，發(fā)動機產(chǎn)生的氣流壓力要剛剛好等于周圍大氣壓，只有這樣，氣流才能完全向火箭運行方向的“正反向”推，如果周圍大氣進(jìn)入噴嘴太多，會導(dǎo)致噴管結(jié)構(gòu)破壞。傳統(tǒng)的噴嘴其實是有個加速的作用在，因為氣流通過中部窄小地方時流速已經(jīng)超過音速，反而遵循截面越大，流速越快的原則，然后再擴(kuò)散；火箭升到一定高度，氣壓環(huán)境也就變了，一級火箭就該脫落，讓下一級火箭開始工作。
氣尖發(fā)動機不需要，它可以通過結(jié)構(gòu)的改變調(diào)整了燃?xì)鈬姵龊蟮呐蛎洜顟B(tài)，使其能“自適應(yīng)”不同高度的環(huán)境壓力或者說阻力。但在推重比相同的情況下，它的零部件數(shù)量也越多，也就更重；而且散熱也比較麻煩，氣尖噴嘴的大面積外露表面直接接觸高溫排氣，所以其熱管理比傳統(tǒng)噴嘴更為復(fù)雜，通常需要更有效的冷卻設(shè)計?？偟膩碚f，開發(fā)研究成本高、風(fēng)險大，收益也不一定更好，所以被商業(yè)公司拋在腦后。
但是Arca還是一股腦要走到底，畢竟在增強火箭推進(jìn)系統(tǒng)的可變性和效率方面，氣尖發(fā)動機仍是備選之一，誰知道下一代飛行器到底會由誰來推動？
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編輯｜張毅
審核｜吳新
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壹零社：用圖文、視頻記錄科技互聯(lián)網(wǎng)新鮮事、電商生活、云計算、ICT領(lǐng)域、消費電子，商業(yè)故事?！吨袊W(wǎng)》每周全文收錄；中國科技報刊100強；2021年微博百萬粉絲俱樂部成員；2022年抖音優(yōu)質(zhì)科技內(nèi)容創(chuàng)作者
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