火箭資料蒐集

首先第一個看的是 wiki
火箭的推進技術有很多種, 這裡有人蒐集資料： 火箭（上）
還有用核彈的, 真是奇葩XD
不過我非專業是不該笑它, 就像 wiki 上寫的, 液體燃料火箭剛提出時也是被嘲笑
當時應該誰也沒想到液體燃料火箭現在在運載物品上太空這塊應用上仍是主流的系統
對於業餘興趣的玩家來說, 我想只要了解最常見的三種即可：

固體燃料火箭，液體燃料火箭，混合式火箭

不過我國其實還有另一種重要的火箭：衝壓引擎火箭
用於雄風三型反艦飛彈, 有興趣可看這 雄風三型超音速反艦飛彈
蘇聯也有發展這種武器, 對岸也買了, 代號 SS-N-22 日炙飛彈
這種引擎須先用助推器加速到超音速以上才能工作, 很明顯不是一般業餘玩家有本錢玩的
所以知道有這種東西即可XD
以下簡單描述這三種火箭, 只概略描述一下當作心得筆記, 反正資料都是網路上撿來的XD



固體燃料火箭：
如其名, 燃料是固態的, 燃料要燃燒需要有氧氣, 燃燒就是劇烈的氧化反應
而固體燃料火箭把燃燒時需要的氧混合進燃料中, 點火後就會觸發反應
因為燃燒的氧來源就在燃料身上, 沒法被隔離, 因此一燒起來就停不了
點火後一定是燒到燃料都燒光為止, 幾乎沒法即時的控制反應速度
燃料燒的速度在製作時就已經決定了, 點火後沒法改變速度
製作時影響燃料燃燒速度的因素有兩個, 截面形狀以及成份
截面形狀可參考這篇：Solid Rocket Motor Theory -- Propellant Grain

表面積越大燒越快, 燒越快就產生越多的氣體, 推力就越強
中間挖成圓的, 一開始推力小, 隨著越往內燒表面積越大, 因此推力曲線呈現斜的
一開始小, 最後最大, 而星形的則曲線呈現水平, 該文表示水平表示均勻燃燒, 效率最好
我想應該和曲線中間的面積有關, 就像定電壓時電流和功率的關係那樣

而成份影響速度靠加入金屬粉末


鋁箔捲成管狀通入氧氣燃燒即可燒穿鋼板, 節目中建議不要在家裡試這個
燃料混入鋁或鐵粉可以高溫度, 這可以加速燃燒, 但因為火焰溫度提高了不少
如節目示範可以燒穿鋼板, 它自然也可以燒穿你的火箭噴嘴, 設計上要考慮

固體燃料火箭應該是最多業餘玩家玩的火箭
它雖然點火後就不受控制, 優點就是結構簡單
不須任何輔助設備就能飛, 最簡單的固體燃料火箭就是衝天炮, 一支只要一塊錢, 用紙筒就能做
業餘玩家常用燃料是硝酸鉀和糖粉, 前者為肥料用, 後者為食品, 非常容易取得而且便宜
這裡有一些燃料的實驗：Homemade Rocket Fuel (R-Candy)
這位玩家還有另一段影片做整隻的：How To Make Sugar Rockets
連加熱都省了, 直接混合夯實以後就完工

簡單可以很簡單, 但要複雜也可以很複雜, 這個：Qu8k
影片：Qu8k - BALLS 20 - Carmack Prize Attempt - High Altitude Rocket On-board Video
速度達到三倍音速, 飛行 121000 英呎 = 36880 公尺, 非常嚇人

而最大隻的固體燃料火箭應該是美國太空總署的 SRB 了


發射後回收

然後會經過一連串的翻新, 重複使用部份零件, 然後再裝填





不過儘管再仔細的檢查, 它還是發生過意外
曾有一段時間停用, 太空人改搭乘俄羅斯的聯盟號前往國際太空站


液體燃料火箭： wiki
如其名, 燃料是液態的, 混合燃料和氧化劑進行燃燒, 燃料和氧化劑分兩個槽存放
以管線接入燃燒室進行燃燒, 由於分開存放並由管線引導, 只要切斷供給就熄火
再導入點火就可重新啟動, 調整混合比例或是供應量即可改變推力大小
最有名的先驅是納粹的 V2 火箭
液體燃料火箭大多使用液態氧作為氧化劑, 這玩意兒很難搞
維持液態溫度要低於 -183 度, 因此儲存槽需要特別設計過, 這儲存槽不難買
但就是貴了點, 曾看過水族業者的文章說, 他們車上都有一桶用來給水族動物們提供氧氣
新的桶子一只十萬台幣, 二手的有五萬的, 重達 100 多公斤, 填充後近 300 公斤
住集合住宅的通常沒有地方可以放這個, 而且它是危險物品, 被鄰居看到了可能會被檢舉
搞定了儲存問題還要搞定管路, 幫浦, 火箭上的儲存槽問題, 這是 -183 度以下的液體
可不能把它當水來看待, 非常麻煩, 所以目前似乎沒有看到業餘玩家搞出液體燃料火箭
只有看到有人在測液體燃料火箭引擎, 只做引擎段, 沒法讓它飛上天
製作液體燃料火箭引擎有一份文件：

HOW to DESIGN, BUILD and TEST SMALL LIQUID-FUEL ROCKTET ENGINES

Google 上面這串字, 很多站分流, 選個喜歡的下唄
它提供了整個系統的數學, 嗯, 是很難懂的數學XD 以及酒精和汽油的數據供測試
這是 1967 年的文件, 很古董了, 不過這是少數業餘能做出來的系統
使用氣體氧, 酒精或汽油, 以及大量的水來冷卻, 不同於商業和軍事的燃料或液態氧冷卻
儘管比較簡單, 它仍然需要等級較高的金屬加工能力, 而且還要會那一堆可怕的數學
由於大量的水, 大量的氣體氧， 以及兩個幫浦來注入燃料和冷卻水
這樣笨重的系統是飛不上天的, 只能地面測試供了解原理用 (懂數學的話)

在美國, 液體燃料火箭有軍用, 也有商用, 他們的民營企業玩得真大
例如 SpaceX 的可回收火箭
F9R Flight Test | 1,000m
它可以緩慢升空又緩慢下降, 真是驚人的控制力, 不知道怎麼做到的

Blue Origin 也做可回收火箭
Launch. Land. Repeat.
這家的火箭外型看起來有點猥褻XD
巨砲的外型卻只有一只引擎, 這樣的外型為什麼能飛真是搞不懂阿！

Rocket Lab unveils electric rocket engine
這影片剛在科技網站上發布時我存下的檔名是：
Startup launches first 3D-printed battery-powered rocket
沒錯, 它是 3D-printed 的, 但絕不是 battery-powered
可見歪果仁的記者也不怎樣, 不查證就憑感覺下標題
而上面那個 electric rocket engine 也還是錯的, 明明就是液體燃料引擎
這引擎的亮點是 3D-printed, 巨大的金屬列印機臺做的
列印材料可選一般鋼鐵, 也可以是鈦合金, 供應航空業以及軍方用
我比較好奇的是列印出來後裡面的複雜管線怎麼拋光？ 用噴砂嗎？

最後再附一個政府的, NASA 的引擎測試
Steamy Summer Begins for SLS with RS-25 Test

上面這些是美國系統, 說到液體燃料引擎, 最有名的應該是蘇聯系統XD
西方國家的運載火箭很多都仰賴固體燃料火箭引擎助推, 甚至有整隻都固體燃料的
就我蒐集的資料, 直到最近幾年才開始有全液體燃料的, 像上面的民營公司
只有蘇聯系統打一開始就是全液體燃料火箭, 戰鬥民族在這領域的技術比較領先
他們的聯盟號火箭 (Союз) 有歐洲人說那是全世界最可靠的發射平台
該系列火箭過了半世紀經過多次改版, 直到現在還在執行任務, 持續的運載衛星以及人員前往太空
每只火箭單元有四具引擎, 共用一組幫浦來注入燃料, 這影片有圖：Russian Soyuz Rocket 
俄文的, 還沒字幕, 只能看影像XD 裡面有個畫面

紅箭頭指處那個裝置應該就是 wiki 上說的渦輪, 由一個獨立的燃燒室提供氣體
氣體輸出推動渦輪, 渦輪連桿帶動左邊兩個幫浦把液態氧和燃料注入四組引擎
所以裡面有好幾個燃燒室, 圖上看到的就有六個, 真的是非常複雜的系統

蘇聯時期資訊非常封閉, 沒有機會了解他們的科技, 直到最近幾年
歐盟找俄羅斯協助發射衛星, 才把他們的技術用英文影片公開
我選一段我最有興趣的進行翻譯, 有興趣可以看：

ESA 還有公佈火箭上的相機影像, 並說明聯盟號進到低衛星軌道後如何升到國際太空站在的軌道
以及聯盟號太空船如何和國際太空站對接, 那部份有許多更專業的內容, 我就先不翻了

看完這流程我第一個產生的疑問是：他們怎麼回收助推器？
從網路上搜尋到的聯盟號結構圖從來沒看過放降落傘的空間
後來找到一個討論串連到的相簿：Scrap Metal Dealers Live Off Falling Rockets

才知道......原來是 "不回收", 當垃圾扔掉！
而 ESA 影片上寫的無人區其實也都有人居住, 果然戰鬥民族都不怕死XD
儘管每個月都可以看到整隻火燒的火箭碎片從天而降, 還是要住那裡！ 真神勇XD
或許這可能是聯盟號火箭高成功率的原因之一：每次都是重新做的全新品
只要解決製程上的問題, 翻修產生的問題並不存在, 雖然很浪費就是了
不過俄羅斯產金屬礦, 鈦合金什麼的挖一挖就有, 資源豐富啊, 這根本不是問題XD
難怪可以這樣揮霍

固體燃料火箭結構簡單, 但是點火後就無法控制；液體燃料高度可控制, 但是結構非常複雜
所以就有折衷的方案：混合式火箭
英文 wiki 寫最早在 1953年 (推估為 1943 年) 由太平洋火箭學發展 XDF-23
如果這個頁面切到俄文 wiki, 上面寫 1934 年 5 月 23 日
蘇聯的一個實驗巡航導彈配備了混合式火箭第一次試飛
各說各話XD 到底誰先做的不知道
混合式火箭混合了固體燃料的簡易結構以及液體燃料的可控特性
固體部份燃料不含氧化劑, 本身不易燃燒, 液體燃料部份則是氧化劑, 高度易燃
在火箭中兩個分開存放, 切斷液體燃料供應即熄火, 理論上可再點火, 但依據燃料特性會有一些問題
液體燃料部份可選用 self-pressurizing oxidizers, 這裡暫時翻作自施壓氧化劑
特性是放在燃料艙中時, 液態氣體會氣化一部分產生壓力, 使得液態氣體在管線引出後會自己噴出
不需要使用幫浦抽出, 這簡化了設計, 不需要像液體燃料引擎還要兩個幫浦抽液體

混合式火箭複雜度比固體燃料火箭高, 但仍然屬於業餘玩家可製作的範圍
網路上有許多實作, 不過做到可飛上天的仍然是少數, 但至少有
不像液體燃料火箭只有商業和國家計畫, 不過可能是實作內容多, 寫成完整文章的並不多
目前看過最詳細的是這個：Rocket Motors
注意中間 Hybrid Rocket Engines 那裡的文章, 有非常詳細的設計細節
旁邊選單上有其他部份的技術細節, 像是電控部份, 軟體部份, 回收降落傘等

業餘玩家用的燃料常見有聚乙烯和柏油, 氧化劑則是氣體氧以及笑氣
燃料部份如果不介意性能的話只要能燒的都可以當然料, 這裡有一個燒壓克力的：
Hybrid rocket engine with acrylic and gaseous oxygen
不過考慮價錢和製作難易度, 多數玩家會用柏油, 加熱到 100 多度就會液化, 容易製作燃料柱
只是...很臭！XD 而且加熱時就會發煙, 它還是不環保的材料, 燃燒會產生有害氣體
不過我們業餘玩家的玩具都不大, 只燒一點點我想地球不會跟我們計較的XD

換算後一公斤只要 10 元台幣, 真是超便宜, 不過這是美國的價錢, 台灣的報價約五倍
而學術界還有另一種燃料可選：石蠟燃料混合火箭之性能測試
這是篇成大的論文, HTPB 混石蠟, 這個我找不到通路可買, 國外也有人玩
掏寶有店家販賣 HTPB, 500g 285 元人民幣, 換算後一公斤要 2580 元, 非常高貴
而且要使用劇毒催化劑, 據說後來有改進方法
不過看到這售價我就沒有繼續了解了, 這可不是平價品

氧化劑部份若是要飛上天的, 業餘玩家方案我只看過笑氣這種方案, 它是自施壓氣體
常溫下可以維持液態, 並且恆壓, 如果用過氧氣鋼瓶會發現氧氣變少時壓力表會下降
可是液態笑氣不會有這種現象, 全滿和用快完時壓力都相同, 所以用它可以省去幫浦
這是非常划算的選擇, 所以除了地面測試的引擎外, 要飛上天的混合式火箭都是裝這種氧化劑
這裡貼幾個混合式火箭的影片

Hardware Store Hybrid Rockets- Part 1:Polyethylene Hybrid Ro
在家裡車庫做的, 只有引擎, 好像有看到留言說是因為父母制止所以沒有繼續了XD

ARRC HTTP-3S Hybrid Rocket Flight Test (2014 NI Paper Context Version)
國內學術單位的

Rocket Launch - Nitrous Oxide Paraffin Wax Hybrid Rocket
這個看起來像業餘玩家, 但是用上了石蠟, 很可能是 HTPB 方案, 有可能是學術單位
不然就是超有錢的業餘玩家XD

BLOODHOUNDs new 1 000mph Hybrid Rocket Tested HD
用於火箭車計畫的混合式火箭, 這是商業方案, 什麼沒有就錢最多XD

不管是上面三種的那一種火箭, 他們都有一個共通的設計重點, 那就是噴嘴
三種火箭都必須設計一個良好的噴嘴才能有效的工作, 噴嘴材料依燃料和規模而定
液體燃料引擎若是有冷卻用銅這種軟金屬就可以了, 但一定要冷卻
而沒液體可以冷卻的固體燃料火箭和混合式火箭就要靠高耐熱材料
燃燒時間短的固體燃料火箭黏土上挖孔就可以了XD
燃燒時間長一點的可以用鐵或碳鋼, 而時間長的則用石墨
不過如果是在家裡自己加工, 用石墨是不錯的方案
它容易加工, 但是粉塵很多, 最好在開放空間加工
設計噴嘴需要非常多的技術, 要懂流體力學, 熱力學， 機械力學, 以及化學

Converging-Diverging (CD) Nozzle
裡面的數學很嚇人XD

這裡有一個計算機可以供計算噴嘴參數：Nozzle Applet
如果對基礎技術沒有概念, 保證不知道怎麼輸入參數XD
這篇的計算應該是以這篇論文為基礎：Compound-Compressible Nozzle Flow
它的精神是分析流體時, 若噴嘴是圓的, 我們可以假設上下左右都對稱, 只有半徑會改變
因而使用最簡單的一維分析法來評估流體, 這是 introduction 裡說的
也是唯一我看得懂的部份XD

而這分析法的理論基礎不是單純的基礎流體力學, 基礎流體力學介紹液體, 以及流動慢的氣體
火箭噴嘴使用的是超音速流體, 它有著不同的特性, 裡面有幾個關鍵詞, 可以找到另一本書：

Modern Compressible Flow With Historical Perspective

這本書可以在網路上下載到全文, 只是要仔細找一下...這是版權物, 不可以亂放
如同論文一般, 我也是只看得懂沒數學的部份XD
大致上是氣體流體速度超過音速時會進入可壓縮的狀態, 它的密度會改變
雖然液體和低速氣體密度也會改變, 但因為改變量太小可以忽略
而高速氣體的密度變化則無法被忽略, 我就只看的懂第一章最前面XD
這門科學最讓我頭痛的是熱力學, 我完全沒有背景知識
可是在高速流體中, 熱的影響卻是非常關鍵的, 這我很難理解, 書念的不夠多沒辦法

對於業餘玩家來說, 沒有精準量測設備, 由於使用柏油, 也沒法計算燃料燃燒特性
所以上面那些計算機其實不太有用XD 因為沒有數據要怎麼算啊
對業餘玩家來說計算機只是用來了解特徵的, 了解噴嘴截面積會如何影響輸出
什麼叫做 Choked？ 該怎麼解決？ 類似這樣, 剩下只能用嘗試的了

CD 噴嘴還有另一種應用

Vortex Cannon, 空氣加農砲！XD
這個網路上也很多影片, 簡單好玩威力強大, 但可以用水濂防禦
用細小的水珠吸收脈衝能量, 蠻有意思的
類似玩弄氣體的還有馬鈴薯大砲, 這個也很熱門, 有人還拿自己老二去體驗, 超北七XD


最後再記一些雜項資料

How to make a stable model rocket

TOP 10 Rocket Crashes compilation

天上掉下來的禮物？當火箭發動機掉在客廳裡…

日本變態節目：猜拳輸了後內衣火箭式升天
這也算有關聯XD