科技爱好与博览

自製小火箭 陈俊中
前言
 
在四年的大学生涯之中，若能将所学即时地应用出来，达到学以致用，那该有多好！笔者抱持著这样的态度，做了一些课外研究以及实作，而做出来的火箭都拿到淡海去进行试射或是燃烧、推力测试，从以前到现在测试过的火箭算一算也有一百多枚了，虽然大部分都是失败的，但是到目前為止也累积了一些宝贵的经验，在此与大家分享。
固态火箭
 
固态火箭发动机有四个主要元件，分别是燃烧室(combustion chamber)、喷嘴(nozzle)、药柱(grain)，以及点火装置(igniter)。在製作一具固态火箭发动机时，是先将浆状的固态火箭推进剂灌入燃烧室的预模中，等到其固化之后则抽出心轴，露出先前设计之燃面，形成药柱，然后将喷嘴锁上，最后再塞入点火装置，则一具固态火箭就此完成。下面分别介绍这四个元件：
燃烧室
燃烧室或称发动机机体，球形是最好的一种选择，但為了配合低阻力的细长火箭外形，一般做成圆筒状，末端则做成球面的一部分，整个燃烧室的外形看起来就像是空气压缩机的高压气瓶或是瓦斯筒。传统大型火箭的燃烧室是用合金钢製成，后来也有用复合材料做成的，重量减轻许多，可使航程增加达20%左右。
笔者尝试过以各种材料来加工製成燃烧室，包括有缝钢管、无缝钢管、铝管、强化塑胶管、纸管、玻璃纤维─环氧树脂复合材料、铝合金车床加工等。钢管虽然强度非常够，但对小型火箭来说是太重了，且加工不易。由於小型火箭的燃烧时间极短，不超过 5秒鐘，故无显著之热应力问题，所以以重量极轻的铝合金车床加工製作燃烧室非常适合用於小型火箭。笔者用过的铝合金材料从一般的6063、稍硬的 6061，到航太工业级的7075都有，7075的典型最大强度為一般铝合金的数倍。而2014、2024也是不错的选择。
喷嘴
火箭喷嘴的设计必须依据喷嘴理论，加上系统需求及加工能力之考量来完成。喷嘴可分成收缩段、喷喉，以及发散段三部分，一般固态火箭喷嘴的发散段以直线锥形居多，虽然鐘形喷嘴用在液态火箭上可以提高系统效能许多，但对於固态火箭并非如此，关於这部分读者若有兴趣可以参考Rocket Propulsion Elements( Sixth Edition)这本书的487页。锥形发散喷嘴的发散半角一般採用15度左右，depends on 该火箭的系统设计，像中科院某长辈就曾向笔者透露，他们研究出来在某种条件下喷嘴的发散半角為13.8度是最佳角度。对於长燃烧时间的固态火箭喷嘴而言，它的材料是最大的学问所在，由於不像液态火箭般有良好的再生式冷却系统，故必须使用数种不同的材料在喷嘴不同的部位来达到最佳化，许多大型火箭的喷嘴喉部是以石墨製成。
由於小型固态火箭的燃烧时间不超过 5秒鐘，笔者以7075铝合金车床加工製成的锥形喷嘴经过数次的测试，性能非常优异，并无熔毁现象，但对於燃烧时间较长的火箭则必须用铬鉬钢、合金钢或超合金等去加工製成。
药柱
固态火箭推进剂(propellant)在浇注成型固化后形成具有特定形状的药柱，而药柱的形状直接决定了燃面的大小，也间接地决定了推力─时间曲线。药柱上不希望成為燃面的部分就必须贴上阻燃层，药柱与燃烧室接合处也涂有阻燃层及特殊黏著剂，以减低对金属燃烧室的热应力并确保药柱固定在燃烧室内壁上。一般常见的药柱截面為星形或圆形，亦有狗鼓形、梅花形、太阳轮形及其它形状，depends on其发动机之任务需求而设计的。
推进剂主要由三种成分组成，分别是晶体氧化剂、还原剂粉末，以及胶合剂。常用的氧化剂有过氯酸銨、过氯酸钾、硝酸銨等，其中以过氯酸銨最常用，像太空梭的两具SRB(Solid Rocket Booster) 就是过氯酸銨係推进剂，笔者也非常喜好採用过氯酸銨，因為它很便宜，而且不易潮解，性能优越。还原剂最常用的就是铝粉，其於推进剂中的比例约在5至20% 之间，在推进剂中搀入适量的铝粉不但可以帮助燃烧、增加动能，还能抑制高频燃烧的不稳定，笔者对此深表认同，早期在淡海测试不含铝粉的推进剂时，一直发生 choke 的现象，使得发动机「咳嗽」，根本无推力可言；后来加入铝粉之后，壳嗽没了，推力还大得嘎嘎叫哩！铝粉就像是良药般，医好了发动机的咳嗽。
点火装置
点火装置就好比是火柴一般，负责引燃整个药柱，虽然看起来好像没什麼，好像只是另一种火药罢了，事实上有很多学问在裡头，想要在 0.5秒内点燃整个发动机的药柱，并使推力达到均匀，并没有想像中那样容易，必须精确计算所需之药量，并设法在点火的一瞬间提供足够的点火温度及压力。笔者有很多点火失败的经验，有时是按下啟动钮之后冒一道白烟出来就没了；有时是按下钮后砰一声巨响就炸掉了；有时则在点火后发生好几次的 choke，然后才有均匀的推力出来，这在大型火箭上是绝对不允许的，你能想像假如太空梭那两具 SRB在啟动后，不断地咳嗽，那会有什麼样的结果吗？会出人命的耶！
液态火箭
 
液态火箭远比固态火箭来得复杂，机械零组件在数量上就多了很多，对於小型火箭而言，液态没什麼好处，只是徒增复杂度，但就大型运载火箭来说，液态火箭反倒佔了许多优势，像是高比冲值(specific impulse)、推力可控制、冷却佳等，并且液态火箭要做多大就有多大，固态火箭则否，药柱的结构强度直接限制了发动机的尺寸，并且巨型固态火箭发动机的灌药、成型是极大的问题。下面介绍液态火箭的诸元及其关键技术：
发动机
液态火箭发动机的关键技术在於冷却设计(通常為再生式冷却设计)、推进剂混合技术、推力向量控制(TVC)等。小型液态探空火箭则不需要有TVC的设计，直接由翼来稳定姿态，可省去很多麻烦。一般对於1-shut的小型液态火箭而言，燃烧时间很短，发散喷嘴通常採用锥形即可，不大会花费很大的工夫去做出鐘形曲线喷嘴，来提升些微的系统效率。而对於大型的液态火箭引擎，尤其是重覆使用性的，则非常讲究喷嘴效率，多採用鐘形喷嘴，太空缩的主引擎就是一个很好的例子，它可以重覆使用55次，总计达7.5小时之久。
推进剂输送系统
推进剂输送系统有两种，即气体压力式输送系统与涡轮帮浦式输送系统。小型液态火箭一般都採用气体压力式输送系统，构造较简单，也比较可靠，唯整个推进剂贮存槽就必须能承受高压，因而显得厚重。在大型运载火箭上通常採用涡轮帮浦式输送系统，以使推进剂贮存槽不必承受高压，大大地减轻火箭结构体之重量。
推进剂贮存槽
一般推进剂贮存槽依推进剂输送系统的不同而有所差异，採用气体压力式输送系统的火箭，需要能耐很大压力的推进剂贮存槽，是故该贮存槽较厚重；採用涡轮帮浦式输送系统的火箭则其推进剂贮存槽不需承受很大的压力，故较轻薄。一般推进剂贮存槽使用铝合金、钢板，或是质轻高强度的玻璃纤维复合材料製成，若是要贮存冷剂则必须作绝热处理，包覆绝热棉或保丽龙等绝热材料。
液态推进剂
推进剂包括氧化剂与燃料，氧化剂常用的有液态氧、四氧化二氮、浓硝酸等，其中液氧是冷剂，摄氏零下185度存在；而燃料常见的有液态氢(LH2)、联氨(N2H4)、煤油(Kerosene)、汽油、酒精等，其中液氢存在於摄氏零下 250度。液氧搭配液氢使用的火箭是目前最高能量效率的火箭，并且燃烧只產生水蒸汽，不像 N2H4-N2O4推进剂般燃烧时会產生大量且剧毒性的NO2及NOx等污染物。
结语
 
一枚先天稳定的火箭在设计上C.G.与A.C.的配置是重点，C.G.放在A.C.前面才能确保火箭以弹道飞行，而不会乱飞。笔者就有过好几次因先天不稳定导致火箭射出后乱飞的情形，有一次还飞出去绕了数圈再飞回来，然后爆炸，差点被吓死哩！
在一次又一次的火箭试验中，免不了经歷许多错误与失败，而每当经歷新一次的挫折，便停下来重新检讨，做出适当的修正，然后再出发。回想从以前开始研究至今，所面临的挫折不外是固体推进剂能量不足、燃烧的不稳定、喷嘴的加工技术不良、燃面处理不当、推力的不足、液态推进剂的混合不均、冷却问题、点火时间太长或点不著、餘药过多、推力不连续、机体结构不够强、重心配置不当、降落伞不开等。而许多问题已获得解决，技术随时间而稳定成长，期待有朝一日能发展成熟。
而製造完成并灌药的火箭都拿到淡海一带空地进行燃烧及推力测试，此时虽技术还不算成熟，但比起以往的粗製滥造，实在好上数倍哩！笔者自行研製的过氯酸銨係固态火箭推进剂，与世界上许多有名的固体火箭之推进剂相似，可算是成功的一小步。我想以电脑為设计工具，配合精密的加工，以及无比的信心和毅力，相信在不久的将来，就能发展出一套成熟的技术。
本文显示在:科技爱好与博览 http://www.naf.com.cn详细参考以上网站.