购买
下载掌阅APP,畅读海量书库
立即打开
畅读海量书库
扫码下载掌阅APP

天然气火箭

撰文:史蒂文·阿什利(Steven Ashley)
翻译:王栋

以甲烷为燃料的新型火箭发动机有很多优势,应用前景诱人。天然气将给未来的火箭提供动力,把人类送入太空,甚至送上火星。

很多人都知道天然气(甲烷)是日常生活中用于加热和取暖的一种燃料,然而在不远的将来,它也许还能推动宇宙飞船进入绕地球轨道,甚至到达更远的地方。世界各地的许多火箭工程师都在研究一种新型火箭发动机,它将用甲烷替代传统的液体燃料,为火箭提供动力。

火箭燃料

运载火箭是用煤油、酒精、偏二甲肼、液态氢等作为燃烧剂,用硝酸、液态氮等提供的氧化剂帮助燃烧的。目前研制的火箭发动机多是固液火箭发动机,即在两种燃料中,一种为固体,另一种为液体。两种燃料相遇燃烧,形成高温高压气体,气体从喷口喷出,产生巨大推力,从而把运载火箭送上太空。

过去半个世纪以来,工程师一般会选用碳氢化合物(hydrocarbon,比如煤油或氢)和低温下液化的氧作为火箭的化学推进燃料。但韩国C&Space公司(一家航天技术公司,位于韩国城南市)的戴维·赖斯伯勒(David Riseborough)指出,煤油和氢都有缺点。他说:“燃油燃烧产生的煤烟会在发动机表面沉积焦炭,造成堵塞,不利于火箭的重复使用。”氢燃料则需要昂贵的低温储存技术,操作起来十分危险;巨大的隔热储罐还要占用空间,增加火箭的负荷。

火箭上的任何纰漏都将带来灾难,因此火箭设计人员往往非常谨慎,坚持使用技术成熟、经过多次测试的装置和推进燃料。然而近年来,科学家也开始研究其他的替代燃料,甲烷就是其中之一。甲烷的性质相对温和,可以让航天员在太空或其他行星表面更安全、更有效地工作。

与煤油相比,甲烷燃烧释放的煤烟更少,产生的推力却更大。更重要的是,甲烷可以产生更高的比冲(specific impulse)。(比冲是衡量燃料燃烧效率的物理量,表示一定质量的推进燃料能够产生多少动力。)

与氢相比,尽管甲烷的比冲略低一些,但它仍有许多优势。液态甲烷更稳定,挥发也更慢。而且,甲烷的储存对隔热措施的要求更低,可以显著减少系统重量。此外,与液态氢(液化温度为-253℃)相比,液态甲烷的液化温度(-162℃)与液态氧(-183℃)更为接近,这使航天器的设计和操作都更加容易。甲烷燃料的另一个优势是:在未来的载人火星计划中,航天员可以就地取材,利用火星大气的主要成分——二氧化碳合成甲烷,有助于减少飞船的尺寸和重量。

在NASA的资助下,几家公司正在积累甲烷引擎的研究和制造经验。美国XCOR航天技术公司(一家火箭制造商,位于加利福尼亚州莫哈韦沙漠)的理查德·伯尔尼勒(Richard Pournelle)报告说,他们公司在2006年12月对一台推力为7,500磅(约合3,400千克)的液态甲烷-液氧火箭发动机进行了地面试验。他们的竞争对手——美国KT工程公司(位于阿拉巴马州亨茨维尔市)也在积极研制甲烷火箭发动机。

2006年3月,C&Space公司的工程师测试了一种甲烷-氢发动机,它可以产生20,000磅到30,000磅的推力(约合9,000千克到14,000千克)。这种发动机是在俄罗斯专家的协助下设计完成的,可以将500千克重的卫星送入地球低轨道,发射费用约为2,000美元/磅 (仅为目前正常发射费用的20%左右)。这种装置还可以推动未来的亚轨道观光飞行器(suborbital tourist flights,一种在大气层外作抛物线飞行,并不环绕地球的载人航天器,主要用于太空观光旅游),或者用作第二级火箭的推进器。赖斯伯勒说:“我们相信,甲烷可以大大缩短宇宙飞船的发射周期。”

虽然甲烷燃料的应用前景诱人,但发展道路绝不会一帆风顺。以日本宇宙航空开发研究机构(Japan Aerospace Exploration Agency)联合几家风险投资公司合作研发的银河快车(Galaxy Express)火箭为例——它的二级火箭发动机设计用甲烷作为燃料,整个计划已经因为研发费用超过预算数亿美元而被推迟。

2006年12月, XCOR的甲烷火箭发动机在地面试车时,喷出了锥状的火箭尾焰。这种发动机也许会用于未来的宇宙飞行。 rBY9+OM2SQmTrFA8NNLRH9G5LDtM+h7Xe6w6ll1RGUiwvo+xqfm6zF/wfXThuk8o

点击中间区域
呼出菜单
上一章
目录
下一章
×