吃進軌道：一種會吞噬自己的火箭可能很快要升空

摘要： 感謝 superstition 的投遞 把衛星送進太空要費很大力氣。一般來說，火箭的有效載荷只佔起飛重量的 5% 左右。餘下的載荷中，發動機佔了一部分，但大部分是火箭推進劑（相互反應以產生進入軌道所需推力的燃料和氧化劑）以及處理這些推進劑所需的部件（儲箱、泵、閥門、管道和容...

這些部件不僅成本高昂，本身的質量也需要額外的燃料來推進。如果可以不用這些部件，設計出僅由有效載荷、發動機和推進劑組成的火箭，就能提高效率。

這正是一個研發團隊希望實現的目標。他們把自己的設計叫做「 自噬 」火箭。該團隊由英國格拉斯哥大學（Glasgow University）的帕特里克·哈克尼斯（Patrick Harkness）和烏克蘭第聶伯彼得羅夫斯克國立大學（Oles Honchar Dnipro National University）的維塔利·葉梅茨（Vitaly Yemets）領導。這種火箭的箭體是一個由燃料和氧化劑構成的堅固圓柱體。發射時，發動機位於這個圓柱的底部。但在火箭到達軌道的過程中，發動機會一路向頂部吞噬燃料，消耗掉火箭的結構。這將減少發射重量，從而節省燃料。哈克尼斯和葉梅茨在刊載於《航天器與火箭雜誌》（Journal of Spacecraft and Rockets）的文章中說，他們現在已經對這種火箭發動機進行了第一次地面試車。

不消說，他們提出的設計需要用到固體的燃料和氧化劑。固體火箭常見於軍事應用，例如洲際彈道導彈，但由於其推力很難控制，因而不太常用於發射衛星。就像竄天猴（它們本身使用的就是固體燃料）一旦點著引線，燃料的燃燒就不受控制了。液體火箭是衛星發射的首選，因為它們的推力可以通過改變推進劑到發動機的流速來調整，也就更容易將有效載荷準確地送進軌道。但哈克尼斯和葉梅茨認為他們的自我消耗設計也可以克服這個難題。

他們設計的發動機燃料是一個由聚丙烯製成的空心圓柱體，這種塑料的硬度和強度足以用作火箭外殼。圓柱體中間填充的是兩種氧化劑高氯酸銨和硝酸銨的粉末混合物。在發動機試車時，研究人員使用液壓頂將藥柱推進已預熱的發動機中，在這裡和一個經專門設計的汽化表面接觸。這個表面需要被加熱以令燃料和氧化劑汽化，表面上的穿孔將分別收集兩種氣體並將它們匯入燃燒室，在那裡混合燃燒。要啟動這個過程，汽化表面必須首先被一臺燃氣燃燒器加熱到工作溫度（在經營模式中將用電力加熱）。但是一旦系統啟動並執行，汽化和燃燒就開始自行維持。而且，通過改變藥柱進入發動機的速度，就可以控制所產生的推力大小。

當然，真正的火箭是沒有液壓頂來輸送燃料的。但哈克尼斯希望牛頓運動定律能夠解決這個問題。雖然測試原型的動力還不足以驗證這一設計理念，但他們的想法是發動機的加速度將能不斷克服藥柱的慣性，迫使藥柱抵靠汽化表面並使其消耗。此外還可以對這一過程加以調節，方法是使用某種節流閥來減緩向發動機輸送藥柱的速度，從而實現對推力大小的控制。相比之下，燃料「在原位」燃燒的普通固體火箭就無法用這種方式控制推力。

事實上，哈克尼斯和葉梅茨提出的自噬設計不大可能令那些使用大型液體火箭發射重型衛星的機構感到擔憂。火箭運力提升的原理意味著，減少部件的拖累對小火箭比大火箭更有價值。但對於越來越多被送入太空的小型衛星來說，裝有自噬發動機的小型固體火箭可能會成為理想的發射裝置。哈克尼斯認為，這種火箭甚至可以用於發射單個的立方體衛星（CubeSat），這是一種體積為 1 升、最大重量為 1.33 公斤的衛星。

目前，大多數立方體衛星都是被成批地裝載在大型液體火箭上，和其他有效載荷一起發射的。就連最近開始提供立方體衛星單獨發射的公司火箭實驗室（Rocket Lab）也使用液體火箭。然而，固體火箭比裝滿液體燃料的火箭更易於操控。因此，儘管可發射的自噬火箭仍需數年才能投產，但是一路「吃」進太空的運載火箭似乎仍是一個頗有吸引力的想法。