引擎全3D列印的微火箭

前陣子太空科技新聞無不報導巨大的 Falcon Heavy 火箭發射成功

然而火箭尺寸除了往大發展,近日迷你火箭界也有不可忽視的佳績。

Rocket Lab 1 月 21 日「Still-Testing」的發射任務
尺寸比較圖

最近日本在 2 月 3 日下午發射全世界最迷你的火箭 SS-520 五號機,大約跟電線桿一樣大,SS-520 把大學生打造的迷你衛星 TRICOM 1R (基於開放硬體的立方衛星 UPSat )成功送上太空軌道,達成發送人造衛星成功的最小火箭世界紀錄,不過這只是日本經濟產業省牽成的非商業計畫。

這樣小型火箭越來越受到歡迎,為什麼呢?跟小型衛星的發展有很大關係,尤其是略同電腦主機大小 3~5 公斤重的立方衛星,價格便宜大學生即可自行打造。這樣小小的衛星以載重數噸的大火箭送到太空很不經濟,必須跟他人成果集貨起來一起發射才划算。然而:

> 大火箭發射的航期,間隔比較長

> 小衛星的優先度比不上大衛星與其他大型酬載

> 風險:如果發射失敗,一次百來顆的微型衛星就毀於一射

如果有公司提供運費便宜( SpaceX 已經是業界最便宜,「運費」也要 5,500 萬美元)、發射頻率又比較高的小型火箭就好了,而 Rocket Lab 就是其中佼佼者。

太空公司?貨運公司?

Rocket Lab 是紐西蘭的私人太空公司 ,在更早的 1 月 21 日成功發射了 Electron 火箭,把 3 顆迷你衛星送上軌道。幾天前這個發射新聞一閃而過,可能大家很快就一樣了吧?其實這火箭創下了 3 項新的世界紀錄──世界第一支電控引擎的火箭第一支碳纖維火箭第一支從南半球發射的火箭

火箭發射業可說是一門貨運生意,如果說 SpaceX、ULA 提供貨櫃車級的運送服務,那麼 Rocket Lab 大概就是小貨車等級的業者。更進一步,Rocket Lab 跟 ULA 一樣提供線上客製化購物車(筆者過去有分享過 ULA 的購物車),表單填好付費完成,就可以在指定時間把你的小型衛星(smallsat,100公斤以下 )或立方衛星(cubesat,1 到 3 台電腦主機的大小, 約 3~10 公斤,前述 UPSat 即是)發送到太空軌道。此外,比起 ULA ,Rocket Lab 提供了更貼心的服務,其網站有提供專門的手機版介面,用手機也可以輕易下單。

Q1 的航班已經被預訂 60%
給你的小小衛星挑機位,最低運費只要 7.7 萬美元

哇~幾個大學生自製一個迷你衛星,然後跟 Rocket Lab 填寫貨運單就可以把衛星打上太空耶,先不急,我們是不是應該要先了解一下 Rocket Lab 的貨運車,喔不,是載貨火箭 Electron 的能耐呢?

Electron 火箭的設計與製造

Electron 是兩段式火箭,高 17 公尺、直徑 1.2 公尺,承載重量是 150 ~225 公斤,也就是說 Electron 大約有 6 層樓高,比日本的 SS-520 大一些也可以載得更多。火箭主體採用輕量碳纖維複合材料製成,設計目的是把常規 150 公斤的物品發送到離地 500 公里高的太陽同步軌道

Electron 火箭的黑色外殼是因為採用碳纖維複合材質

火箭動力來自 Rocket Lab 自行開發的拉塞福(Rutherford) 液態燃料引擎,引擎名稱是紀念紐西蘭已故著名物理學家歐尼斯特·拉塞福(Ernest Rutherford ,物理課本裡的那一位)。

一顆拉塞福引擎的重量只有 35 公斤,材質是鈦合金,在設計上,其燃料供給控制迥異於傳統火箭,是透過電控以鋰聚合物與馬達的組合來運作幫浦(electric-pump feed cycle),把燃料與氧化劑打進燃燒室產生推力,而且軟體控制取代了傳統的硬體控制,比起傳統氣體產生器循環式(gas-generator cycle )50% 的效率 ,拉塞福引擎可以達到 95% 的燃燒效率,附帶的缺點只有一個──額外要多負擔電池組的重量。

拉塞福引擎

火箭的第一段(升空用)用了 9 顆拉塞福引擎,第二段則用了一顆變體版拉塞福引擎(提升在真空中移動的能力),第一段合計可以產生 162 kN(千牛頓)的推力離地升空,最高峰可以產生 192 kN 的推力,單位推進率(Specific Impulse,ISP)方面有 303 秒(ISP 值越高,表示火箭的燃料利用效率越好);第二段的引擎推力則是 22 kN,單位推進率 ISP 達 333 秒。

生產上,拉塞福引擎完全由 3D 列印製造而成,印一顆只需要 24 小時,比起傳統火箭引擎,製造時間與費用都大為降低,但有著很優異的性能。可靠性方面,在 1 月 31 日,拉塞福引擎達成了 500 次,累計共 19,000 秒的運行紀錄。

Electron 火箭的酬載倉也有特別設計,火箭尖端—酬載整流罩(Payload Fairing),設計是要能在太空把酬載從主體解體開來,而這些酬載是在發射站組裝到火箭上,這跟傳統火箭程序一樣。不過 Rocket Lab 設計出了酬載外掛模組(Plug-In Payload ),顧客可以帶回,選擇以自己的設施與人員來準備酬載,準備完密封好後再送回 Rocket Lab ,幾小時內就可以裝進 Electron 火箭。這個嶄新作法大為降低瀑布式作業流程延遲的風險,而且讓顧客可以自行準備酬載來待機。

酬載整流罩

1 月 21 日 Electron 成功發射且順利進入太空軌道,這開啟了小型商業火箭發射的新紀元,未來小公司如果要開發手機 App 搭配太空中自己打造的小衛星作連線,應該也不是難事吧?

除此之外,參加 Google 登月大賽的矽谷 Moon Express 團隊宣稱他們將在今年登月,而他們的夥伴就是 Rocket Lab,如果成真的話,那將達成另外一個新紀錄──登月計畫最小的火箭,我們就拭目以待吧。

「Its a Test」任務發射升空