进入太空变得更容易!新西兰研制发射低成本小型火箭
2014-08-01 10:31:00   来源:新西兰航空航天公司官网
内容摘要
新西兰航空航天公司Rocket Lab研制出了一款10吨重的火箭,Electron火箭式由碳复合材料制成的,可携带卫星的重量达120公斤左右,这款火箭预计将于2015年正式推出。

日前,新西兰航空航天公司Rocket Lab研制出了一款10吨重的火箭,在保证能把卫星送上天空的同时,其发射成本价格仅不到600万纽币。此消息一出,立刻引起了包括华尔街日报、路透社等全球媒体的关注。

Rocket Lab在奥克兰举行新闻发布会,公司首席执行官Peter Beck表示,这支长约18米的火箭被命名为Electron,它将为太空游戏带来革命性的变革。Beck说,Electron会让进入太空变得更加容易,目前,把卫星送入太空的平均成本为1.55亿纽币。

与常规火箭相比,Electron的个头比目前火箭的平均长度(60米)小了许多,不仅如此,Electron还能让发射卫星的周期从数年缩短至数周。据了解,新西兰研制的Electron火箭式由碳复合材料制成的,可携带卫星的重量达120公斤左右,这款火箭预计将于2015年正式推出。他表示,Rocket Lab将保证将客户的所有卫星都送上太空,截止目前,他们已经收到了30多枚卫星的预约发射邀约。

据悉,现年36岁的Beck是于2007年创立Rocket Lab的。他表示,在过去数年间,团队的25位员工一直在为这个项目忙碌着,而为了满足需要,公司有望再增加30名员工。在Beck来看,他们的目标是在这里创造价值10亿纽币的太空产业。为了研发Electron,Rocket Lab一共花费了2500万纽币的政府拨款和资金,而资金的主要来源,是The Warehouse创始人Sir Stephen Tindall和硅谷风险投资公司Khosla Ventures。

前美国宇航局主管和佛罗里达太空研究所研究员Dr Alan Weston表示,在航空航天技术领域,Rocket Lab无疑是全球领先者;Electron火箭重新制定了游戏规则:“这是革命性的,它不仅仅是便宜那么简单。”Beck说,这款火箭设有10个Rutherford引擎,其燃料燃烧量相当于一架飞机从奥克兰飞往基督城。该火箭发射的电子卫星可以在轨道上停留5到7年,可作用于天气预报、全时测绘、高速互联网和气候变幻检测等。

而现在,这款火箭正在申请相关专利权。另据Beck表示,该公司自2007年以来,已经发射了大约80枚火箭,其中只有一个进入了轨道——2009年的Atea-1,6米长、60公斤重,发射自Great Mercury Island。


【火箭的发射原理】

发动机

当大多数人想到马达或发动机时,会认为它们与旋转有关。例如,汽车里的往复式汽油发动机会产生转动能量以驱动车轮。电动马达产生的转动能量则用来驱动风扇或转动磁盘。蒸汽发动机也用来完成同样的工作,蒸汽轮机和大多数燃气轮机也是如此。

火箭发动机则与之有着根本的区别。它是一种反作用力式发动机。火箭发动机是以一条著名的牛顿定律作为基本驱动原理的,该定律认为“每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力”。火箭发动机向一个方向抛射物质,结果会获得另一个方向的反作用力。

开始时您可能很难理解“抛射物质,获得反作用力”这个概念,因为这好像和真实情况不大一样。火箭发动机似乎只会发出火焰和噪音,制造压力,而与“抛射物质”没什么关系。我们来看几个例子,以便更好地了解真实情况:

01102124879.png如果您曾经使用过猎枪,特别是那种12铅径的大猎枪,那么您就知道它会产生巨大的“撞击力”。也就是说,当您开枪时,猎枪会狠狠地向后“撞击”您的肩膀。这种撞击力就是反作用力。猎枪将31.1克的金属以大约1120公里/小时的速度沿某个方向发射出去,同时您的肩膀会受到反作用力的撞击。如果您开枪时穿着轮滑鞋或站在滑雪板上,枪会起到类似于火箭发动机的作用,反作用力会使您向相反的方向滑动。

如果您见过粗大的消防水管喷水的场景,可能会注意到消防员要花很大的力气才能抓住它(有时您会看到有两名或三名消防员手持同一根消防水管)。水管发生的情况与火箭发动机类似。水管向一个方向喷水,消防员们则运用自身的力量和重量来克服反作用力。如果他们放开水管,那么水管会劲头十足地四处乱撞。如果消防员全都站在滑雪板上,水管将推动他们以极快的速度向后移动。

如果您吹起一个气球,然后放开它,那么它会满屋子乱飞,直到里面的空气漏光为止,这就是您制造的火箭发动机。在这种情况下,被抛射出去的是气球中的空气分子。与许多人的想法不同,空气分子其实是有质量的(请查看有关氦的页面,以便更好地了解空气质量的问题)。如果您让空气从气球的喷口中喷出来,气球的其余部分则会向相反的方向运动。

燃料

燃料是氮的氧化物有:CO,H2,C2H2,CH4,C2H4,CH3CH2OH,N2H4,高级硼硅烷(这都是火箭推进器的燃料)和2踢脚差不多的 点火和原理都一样。只是上面的那层不是火药,是火箭头(里面是卫星之类的东西)。航空煤油是无色透明的,闻上去和普通的煤油没什么区别,而且不易挥发。燃点大约在300C左右,别说用打火石了,就算用明火也是点不燃的。早在运载火箭发明前,人们使用油和汽作燃料,汽车、轮船和飞机就是靠这些燃料来行驶的。后来,科学家发明了靠化学能来产生动力的运载火箭。运载火箭是用煤油、酒精、偏二甲肼、液态氢等作为燃烧剂,而用硝酸、液态氮等提供的氧化剂帮助燃烧的,人们习惯上把燃烧剂和氧化剂通称为火箭发动机的燃料或推进剂。

推进剂

从物理形态上讲,火箭发动机使用的推进剂有两种形式,一种是液态物质,另一种是固态物质。燃烧剂和氧化剂都是呈液体形态的发动机则称为液体燃料发动机,或称为液体火箭发动机,两者都是呈固体状态,则称为固体燃料火箭发动机或固体火箭发动机。固态氢、固态氧,作为火箭动力。如果在两种燃料中,一种为固体,一种为液体,则称为固-液火箭发动机或直接称其物质名称的火箭发动机。如,氢氧火箭发动机。由于固态燃烧剂产生的能量比液体氧化剂发出的能量高,所以,研制的火箭发动机多是固-液火箭发动机,两种燃料相遇燃烧,形成高温高压气体,气体从喷口喷出,产生巨大推力而把运载火箭送上了太空。常用推进剂有:1、液氢(燃料)液氧(氧化剂),燃烧效率很高,多用于航天飞机及运载火箭末级,价格昂贵、不易储存。

2、肼-50(燃料)四氧化二氮(氧化剂),燃烧效率一般,多用于中型火箭,价格适中、较易储存。

3、RP-1高精炼煤油(燃料)液氧(氧化剂),燃烧效率一般,多用于火箭第一级,价格适中、不易储存。

4、肼(燃料)、四氧化二氮(氧化剂),燃烧效率一般,多用于卫星,容易自燃、价格相对便宜、腐蚀性极强。


【火箭的发展历程】

19世纪80年代,瑞典工程师拉瓦尔发明了拉瓦尔喷管,使火箭发动机的设计日臻完善。19世纪出现了几项重大技术进步:燃料容器的纸壳改为金属壳,延长了燃烧的持续时间;火药推进剂的配方标准化;制造出发射台;发现了自旋导向原理等等。19世纪末,火箭开始用于非军事目的,如用火箭携带救生索飞向海上遇难船只。19世纪末20世纪初,液体火箭技术开始兴起。

1903年,俄国的К.E.齐奥尔科夫斯基提出了制造大型液体火箭的设想和设计原理。1926年,3月16日美国的火箭专家、物理学家R. H.戈达德试飞了第一枚无控液体火箭。1944年,德国首次将有控的、用液体火箭发动机推进的V—2导弹用于战争。弹道式导弹,采用火箭发动机作动力装置第二次世界大战以后,苏联和美国等相继研制出包括洲际弹道导弹在内的各种火箭武器。 20世纪50年代以来,火箭技术得到了迅速发展和广泛应用,其中尤以各类可控火箭武器(导弹)和空间运载火箭发展最为迅速。从火箭弹到反坦克导弹、反飞机导弹和反舰导弹以及攻击地面固定目标的各类战术导弹和战略导弹,均已发展到相当完善的程度,已成为现代军队不可缺少的武器装 备。各类火箭武器正在继续向提高命中精度、抗干扰能力、突防能力和生存能力的方向发展。此外,反导弹、反卫星等火箭武器也正在研制和发展之中,在地地弹道导弹基础上发展起来的运载火箭,已广泛用于发射卫星、载人飞船和其他航天器等。

最常见的火箭燃烧的是固体或液体的化学推进剂。推进剂燃烧产生热气,通过喷口向火箭后部喷出气流。火箭自带燃料和氧化剂,而其他各种喷气发动机仅须携带燃料,燃料燃烧所须的氧取自空气中。所以,火箭可以在地球大气层以外使用,而其他喷气发动机不能。火箭发射时产生巨大的推力使火箭在很短的时间内迅速升入高空,随着燃料不断减少,火箭自身质量逐渐减小,在与地球距离增大的同时,质量和重力影响不断下降,火箭速度也因此越来越快。

20世纪70年代,美国研制出全新的火箭动力航天运载工具即航天飞机。它主要分3个部分:机身后部装有3台主发动机的轨道飞行器;装有液氢和液氧推进剂的外挂燃料箱(5分钟后脱落),保证主发动机工作;装有2台可分离的固体燃料火箭发动机(2分钟后脱落),它们与轨道飞行器主发动机同时启动,提供初始升空阶段的推力。1981年4月12日,人类第一架航天飞机“哥伦比亚”号发射升空。“土星”5号火箭启程登月时,5台发动机每秒钟消耗近3吨煤油,它们产生的推力相当于32架波音747的起飞推力。无法确定火箭发明的确切时间。大部分专家认为中国人早在13世纪就研制出了实用的军用火箭。

20世纪80年代初,苏、美两国已经分别研制出六、七个系列的运载火箭。其中,美国载人登月的火箭,直径10米,长111米,起飞质量约2930吨,近地轨道运载能力为127吨。苏联的“能源”号火箭,起飞质量约2000吨,近地轨道运载能力约为100吨。中国的,采用了并联助推技术,不仅提高了运载能力,还为进一步发展更大运载能力的火箭奠定基础。运载火箭正向着高可靠性、低成本、多用途和多次使用的方向发展。可多次往返于太空和地球之间的航天飞机的问世就是这一发展趋势的体现。火箭技术的飞速发展,不仅可提供更加完善的各类导弹和推动相关科学的发展,还将使开发空间资源、建立空间产业、空间基地及星际航行等成为可能。

中国于20世纪50年代开始研制火箭。1958年6月中国仿制成功前苏联的C-75型(SA-2)地空导弹武器系统,仿制半固定式中高空、中近程地空导弹武器系统。这就是中国的第一枚导弹,中国以此为基础,创建了人类历史上第一个导弹部队。1970年4月24日,用“长征”1号三级运载火箭发射了‘东方红’人造卫星。1975年11月26日,用更大推力的“长征”2号运载火箭发射了可回收的重型卫星。1980年5月18日,向南太平洋海域成功地发射了新型火箭。1982年10月,潜艇水下发射火箭又获成功。1984年4月8日,用第三级装液氢液氧火箭发动机的“长征”3号运载火箭成功地发射了地球同步试验通信卫星。1988年9月7日,用“长征”4号运载火箭将气象卫星成功地送入太阳同步轨道。1992年8月14日,新研制的“长征”2号E捆绑式大推力运载火箭又将澳大利亚的奥赛特B1卫星送入预定轨道。这些都表明火箭发源地的中国,在现代火箭技术领域已跨入世界先进行列,并已稳步地进入国际发射服务市场。

在发展现代火箭技术方面,美国的物理学家R. H.戈达德和俄国的К.E.齐奥尔科夫斯基是开创者,德国的冯•布劳恩是第一枚实用火箭的发明者,中国的钱学森、和苏联的S.P.科罗廖夫、齐奥尔科夫斯基等都做出了杰出的贡献。

美国航空航天博物馆的照壁上第一句话就是:最早的飞行器是中国的风筝和火箭。

美欲打造未来核子火箭以巩固其空间技术地位。据美国宇航局的核工程师马克•豪斯介绍:“前往火星之旅需要核子火箭,尤其是载人的火星探索任务,因此这个项目的启动吸引了多项深空载人计划。”鉴于核子火箭具有强大的运载能力,比传统的化学能火箭更能胜任火星载人探索,这很明显是一个更具成本效益的选择。美国宇航局目前正在着手研究这种新型火箭技术,马克•豪斯正是负责领导核子火箭的研究人员,在硬件和承包商的预算上为300万美元。新型核子火箭发动机将使用纯净的氢气,在理想情况下,燃烧的温度可以达2800开尔文,大约为2526摄氏度,工作时可以迅速产生推力。研究团队在美国宇航局的马歇尔空间中心测试不同的燃烧组件,模拟火箭发动机的工作环境。科学家认为,核子火箭拥有较高的安全系数,可避免出现危险状态下的核反应,避免空间核事故的发生。

为了能够在未来大规模的将人类送入太空,不可能依赖传统的火箭和飞船。未来的建筑将与火箭一体化,成为移动式建筑。通过建筑底部的推进器,人类随时都可以将建筑和大量的人类送入其它星球。离我们最近的星球月球,如果想大规模的在月球上建造筑是极其困难的方式,通过将建筑之间送入太空,减少了人力物力。


【日研制低成本小型火箭 发射费用500-1000万日元 】

日本北海道大学和当地中小企业正在联合研制一种小型火箭,计划5年后用它发射重约10千克的小型卫星。该火箭发射费用约为500万至1000万日元(1美元约合119日元),仅为日本一般火箭发射费用的百分之一。

据报道,这种正在开发的小型火箭名为“CAMUI”。该研究小组19日在赤平市对燃料进行了试验。引擎燃料使用的是聚乙烯、酸化剂和液态氧,与传统火箭燃料相比价格低廉,安全性能更佳。

该研究小组曾成功地将500克的探测器发射到5公里的空中,目前正在进行5倍推力的引擎燃料试验。研究人员计划将4千克的探测器送到距地面60公里的高空。

由于日本的火箭发射卫星费用高,难以惠及一般企业,因此中小企业成为这一构想和研究的支持者。