天然氣火箭
以甲烷為燃料的火箭引擎，蓄勢待發！
撰文╱艾胥利（Steven Ashley）
翻譯／甘錫安


XROR公司的甲烷火箭引擎在2006年12月進行了地面測試時。上圖是火箭尾部出現的震波錐（shock-wave cone）。這類引擎或許將成為未來太空飛行的動力來源。




大家都知道天然氣是家用的加熱燃料，但或許不久後甲烷就可推動太空船進入地球軌道或外太空。全世界的火箭研究人員正在研究以甲烷取代火箭引擎中的傳統液態推進燃料。

過去半世紀，工程師大多以煤油等碳氫化合物，或是氫本身，加上低溫液化氧氣做為化學推進燃料。但根據南韓城南市的挑戰與航太公司（C&Space）的萊斯柏（David Riseborough）表示，煤油和氫都有缺點。他說：「燃燒煤油會產生煤灰，在引擎表面累積焦炭殘留物，造成阻塞，並妨礙重複使用。」另外，氫則需要價格不菲的冷卻儲存裝置，運作時可能會有危險，而且龐大的隔熱儲存槽也會佔用許多空間及重量。

由於任何問題幾乎都會造成大災難，因此火箭設計人員通常比較保守，寧願選擇經過完整測試的設備和推進燃料。不過近幾年來，發明人員一直在研究替代燃料，甲烷就是其中之一。在人員安全以及在太空或行星表面運作等方面，甲烷的缺點較少。它燃燒時產生的煤灰比煤油少，推進效能也比較高。特別值得一提的是，甲烷的比衝量較高，這個燃料效率值代表特定重量的推進燃料所能產生的動量。

雖然甲烷的比衝量沒有氫那麼高，但它有好幾項優點。液態甲烷比較穩定，蒸發的速度比較慢，同時甲烷儲存槽需要的隔熱設施較少，有助於減輕系統重量。除此之外，液態甲烷的溫度為-163℃，比液態氫（-253℃）更接近液態氧的-183℃，因此可減少處理程序及載具設計。甲烷還有另一項優點，就是未來的火星太空人，或許能利用該行星上主要由二氧化碳組成的大氣來合成甲烷，如此將有助於減少太空船的大小及重量。在不久的將來。美國航太總署的獵戶座任務或許會採用甲烷做為推進燃料，讓登月小艇離開月球表面，並使人員艙回到地球。

目前有數家公司已取得美國航太總署的經費，用以增加關於甲烷火箭的工程經驗。根據加州莫哈未火箭製造廠商XCOR航太公司的普涅爾（Richard Pournelle）表示，2006年12月，該公司曾經在地面測試7500磅推力的液態甲烷與液態氧火箭引擎。另一家位於阿拉巴馬州杭茨維爾的KT工程公司，則將在今年內進行甲烷火箭引擎的初步測試點火。

2006年3月，挑戰與航太公司的工程師測試了具備2~3萬磅推力的甲烷╱氧火箭引擎。在俄羅斯專家的協助下，將半噸重的人造衛星被送上低地球軌道，平均成本為每磅2000美元（大約為目前發射成本的20%）。另外，這套系統還可為次軌道觀光飛行提供動力，或用做火箭的第二節。萊斯柏表示：「我們相信甲烷火箭將可提供更快、更接近飛機的發射過程。」

儘管大家寄予厚望，但目前還無法確定是否能夠成功。日本宇宙航空研究開發機構與合資公司合作開發的「銀河特快車」衛星火箭，其第二節就是以甲烷為推進燃料，但由於成本超過數億美元，研發工作已暫緩。

【本文轉載自科學人2007年5月號】