用水作火箭燃料?別笑,有人真的這麼幹了!

一提到用水作燃料,各位一定會聯想到“民科”、“永動機”等等,然後對人馬君嗤之以鼻。然而這次美國宇航局(NASA)卻是認真的!

實際上,NASA在60年代就開始研究用水作為推進劑的火箭。地球人都知道,氫和氧可以作為火箭燃料,而且非常高效。美國的德爾塔4重型火箭第一級就使用了RS68氫氧發動機,單臺推力可達300噸左右,相當的牛皮!而我國長征五號的芯一級也使用了50噸級的YF-77氫氧發動機。不過一般氫氧發動機使用的都是液氫液氧,必須處在極低的溫度之下,對貯存條件的要求極高。而眾所周知,水可以電解生成氫和氧,在火箭上裝一個大水箱,將水電解後再燃燒推進,不就可以做出水火箭了嗎?

用水作火箭燃料?別笑,有人真的這麼幹了!

德爾他4重型運載火箭

現實是顯而易見的,電解水需要大量的電能,而電解的速度又比較慢,如果要達到火箭的推力要求,整個系統的尺寸非常龐大,效率特別低,實用性遠遠比不上直接用液氫液氧。一直到上個世紀末,“水火箭”的方案沒有什麼突破,依然被認為是不可取的。

但NASA並沒有放棄。電解水推進在火箭上也許不可行,但可以用在衛星等航天器上,畢竟在發射入軌之後,衛星和深空探測器的姿態調整和變軌並不需要很大的推力,而太陽能電池板又可以方便的在太空中獲得電能。因此,相比於常規的攜帶高能化學推進劑的做法,電解水推進技術完全可以在成本較低的條件下滿足其需求。但這項技術也存在很多難題:電解水並使氫氧燃燒的過程,涉及到對氫氣、氧氣和過熱水蒸汽等介質的處理和傳輸,對材料的耐腐蝕要求非常高,還要防止其它材料對電解水部件造成汙染。

電解水推進系統的進展

經過幾十年的探索,直至最近,看似天方夜譚的電解水推進器終於有了實質性的進展。在NASA的協助下,位於華盛頓的一家名為Tethers的公司(Tethers Unlimited Inc. 簡稱TUI)造出了真正堪用的電解水推進器。NASA希望將這項技術應用在”立方星“計劃上(CubeSats)。

立方星是一種由成熟部件組成的低成本微小衛星。在以往,衛星往往很大很重,直到21世紀初,最小的衛星也有500磅重。製造較大的衛星需要投入大量的金錢、時間和研發力量,因而只有大公司才涉足其中。但現在出現了像立方星這樣的低成本小衛星,可以使更多的機構能負擔得起。NASA現在經常在正常火箭載荷之外搭車發射由大學、初創公司以及其它機構研製的小衛星,但它更長遠的目標是持續提升微小衛星的性能, 以滿足未來的科學和探索任務。

為了推進立方星計劃,NASA於2010年在“小型航天活動創新研究計劃”中提出了針對微小衛星推進器的研發需求,而TUI公司響應了該計劃並獲得了一筆資金,用於改進其水箱,以及為電解水提供電力的系統。當時,像立方星之類的微小衛星是不帶推進系統的,只能留在運載火箭將其送達的軌道上,而且不能變軌和進行軌道保持,嚴重影響了衛星的壽命。而要想為其配備推進系統,最大的挑戰是推進裝置必須足夠小,並且保證衛星在火箭發射時不帶壓力。

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利用NASA提供的資金,TUI公司研製了兩臺HYDROS原型電解水推進器,並開始測試和改進,內容包括控制系統、軟件集成,以及性能和壽命的升級。NASA還為其找了一個合作伙伴,以共同分擔改進HYDROS的成本,即千年空間系統公司(Millennium Space Systems),千年公司希望在“牽牛座”小型衛星上搭載三臺HYDROS的大型版本,即HYDROS-M,該推進裝置可應用在重量在110至400磅的衛星上。而NASA則選擇了適用於立方星的版本:HYDROS-C,以應用在“探路者技術演示任務”中。

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電解水推進器的優勢

HYDROS電解水推進器在衛星發射入軌之前,是不帶壓力的,因而規避了在發射時衛星系統帶壓的風險。在入軌之後,當推進器開始電解水,並向氣囊充氣時,才開始有壓力。相對傳統推進系統 ,電解水推進器便宜且易於製造,可與各種不同類型和大小的衛星適配,它的燃料是絕對無毒的,因此實現了零排放,對操作人員也更安全。研發者開玩笑說:“你可以放心的讓一個本科生去操作它,而不用擔心他中毒。”

用水作火箭燃料?別笑,有人真的這麼幹了!

電解水推進器可以提供對衛星來說足夠強大的動力,同時擁有很長的壽命,這對於一些經常需要改變軌道高度的小衛星非常有用。例如,地球觀測衛星經常需要在較低的軌道高度上飛行,以獲得更好的分辨率,當它作為搭車的附加載荷被髮射到較高軌道時,需要用自身動力機動變軌到低軌道,而這裡大氣阻力較大,因此還需要有持續的動力來進行軌道保持和修正。

應用前景

除了賣給千年空間系統公司三套推進裝置外,TUI公司還向美國空軍技術研究所出售了一些工程模型。此外還有大量的用戶有訂購意向,但TUI公司還是希望在HYDROS真正發射上天后,再接受其它訂單。

TUI的負責人表示,他們最終的願景是建立一個完整的太空經濟模式,而水將成為太空經濟中的重要資源。下一代的HYDROS推進器將配備水的加註口,如同空中加油一般,這樣理論上可以實現無限長的操作壽命。TUI公司甚至探討了在深空探測任務中,在外太空收集水源用作燃料的可能性,但NASA對此持謹慎態度,畢竟在太空中找到足夠純淨的水,並且收集起來的難度太大。但是一旦可行的話,意義將是巨大的,你再也不用擔心航天器沒有燃料了!


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