漫談太空旅行 (三)

前一篇<漫談太空旅行 (二)> 提到:Richard Branson 搭乘的SpaceShip Two在2021年7月11日拔得頭籌,實現首次載人太空旅行。9天之後, Jeff Bezos 於2021 年7月20日也實現太空處女航,搭載的火箭是他的新創公司「藍色起源」 (Blue Origin) 發展的第一個「次軌道」(suborbital) 火箭 -- 取名為New Shepard,是為紀念美國第一位太空人Alan Shepard而命名的。

圖片來源:Blue Origin公布圖片

 

什麼是「卡門線」(Karman line)

New Shepard是可重複使用的火箭,能夠搭載六名太空人飛出海拔100公里的「卡門線」(Karman line) -- 世界公認的太空邊際線。Karman line的命名為表彰並紀念上世紀航空科研領域的泰斗馮卡門 (Theodore von Karman),他曾經研究航空飛行的高度極限。von Karman首次計算出:在83.6公里(51.9英里)高度附近,由於空氣過於稀薄,飛行器難以在此高度產生足夠支持航空飛行的升力。所以,飛行器的速度必須比軌道速度快很多,才能夠獲得足夠的升力來支撐自身重量。除了空氣過於稀薄之外,飛行器處在「中氣層」(Mesosphere) 頂端的海拔高度時,空氣與燃料難以充分混合,普通航空器所依靠的引擎是無法正常運作的。

圖片來源: Blue Origin公布的 New Shepard外型設計

  

為什麼New Shepard 有一個蘑菇頭外型?

Jeff Bezos要求太空人座艙要能夠容納六個人,並有足夠空間讓乘客體驗漂浮,所以Blue Origin設計出蘑菇頭外型的New Shepard原型機。此外,座艙頂部還藏有大小各三個降落傘,座艙正中間安裝有一固態小火箭又稱為「逃生火箭」。當大火箭在發射台及推進階段萬一發生意外,頂部座艙的小火箭會自動點燃並與大火箭分離以保人員安全。這是Blue Origin從NASA 阿波羅登月火箭意外折損三位太空人所學習到的教訓。

當初New Shepard公布原型機設計時曾引起媒體熱議,大眾都以詼諧的眼光調侃此一設計。但是學過航太工程的人知道那是針對任務目標所做出的妥協,從空氣動力及控制的角度來看,不可否認那是極為聰明的設計。基本上New Shepard是頭大身小的「榔頭型」( Hammerhead) 設計 -- 座艙底部是直徑12呎的蘑菇頭,但是推進引擎的燃料桶則較為細長。要把兩個直徑不同的物體聯結在一起勢必需要一個過渡階段。這種榔頭型的火箭設計在以前也常見,只是一般的「過渡段」(inter-stage) 設計是採用錐型,直徑尺寸由大逐漸縮小,主要是考慮到減少空氣阻力,而且看起來比較不這麼突兀。

圖片來源: Blue Origin公布的 New Shepard環形設計

 

為什麼New Shepard在inter-stage採取環型鰭翼設計呢?

以往火箭的「推進段」 (booster) 在燃燒完畢後即分離丟棄,但是New Shepard推進段是要回收並重復使用的。燃燒完的推進段 (spent-stage, 包括BE3引擎) 要能夠自動返航並降落到指定地點。為達成spent-stage回收目的,它就必須要能夠像飛機一樣地飛行返航,但是回收時的spent-stage處於無推進動力的狀態,需要靠空氣動力滑翔。

New Shepard 在起飛升空時,火箭底部的鰭翼其中二個是以液壓制動,在低空時協助可轉向火箭噴嘴做方向控制。因為是空氣動力穩定設計,正如上一期所解釋:起飛時「壓力中心」(Center of Pressure, cp) 需要落在「重心」(Center of Gravity, cg) 的後方 (或稱下方),但是spent-stage在返航時是底部朝向地球飛行,所以cp的位置就必須從火箭底部往inter-stage方向轉移,而且必須超過cg 的位置,落在cg 的上方。

New Shepard 的工程師在返航的inter-stage 設計出一魚兩吃的聰明作法。與其說是inter-stage,實際上那是「環形鰭翼」,只是在上昇推進階段,鰭翼是隱藏起來的,只有在與座艙分離後才展開。環形鰭翼結構等分四象限、並固定在火箭外殼上,其直徑為12呎恰好可與座艙結合。支撐環形鰭翼的結構是四條剖面為小半圓弧形隆起結構,一直延伸到火箭外殼的底部。其作用不但增強火箭外殼強度還可以限制氣流沿著外殼旋轉,避免氣流旋轉產生的「誘導滾動」(Induced Roll) ,增加飛行姿態控制上的難度。

spent-stage在回收時,四片環形鰭翼會展開,同時還有八片阻力片也同時張開以產生「煞車效應」,但是環形鰭翼是固定翼無法被控制,主要設計目的是為調整cp 位置。原來火箭底部的可控制鰭翼(就是原來的尾翼)在火箭外殼回收時反而成為「前置翼」(canard)。就這樣靠著前置翼將spent-stage 駛向指定著陸點上方1500米高處,然後再重新點燃「可控節流」(throttle-able) 的液態引擎(BE3) ,讓一個將近20公噸的龐然大物spent-stage能夠像羽毛一樣緩緩下降 -- Blue Origin公司的Logo就是一根羽毛,像徵人類千年來追求自由飛翔探索的夢想。

在太空旅行的科普文章裏,談到這麼多的設計細節,只是希望能夠激發年輕讀者對航太工程及太空旅行的興趣。

 

作者:

黃國華博士退休前在美國Huntsville的Troy7, Inc. 擔任總工程師(Chief Engineer),這家公司提供美國國防部飛彈防禦署(Missile Defense Agency, MDA)及NASA技術支援。黃博士有多年導航與控制(Guidance and Control)及彈道軌跡設計經驗,他全職支援MDA,並在靶彈部門的導彈軌跡組擔任組長。

王志强博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist),1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業;他的斜槓人生還擔任過:安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理,中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。

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