引擎全 3D 列印的微火箭 Electron 創 3 項第一，引領太空貨運新紀元

引擎全 3D 列印的微火箭 Electron 創 3 項第一，引領太空貨運新紀元
作者 Shoichi Chou


（首圖為 Rocket Lab 1 月 21 日「Still-Testing」的發射任務；來源：Rocket Lab）

前陣子太空科技新聞無不報導巨大的 Falcon Heavy 火箭發射成功，然而火箭尺寸除了往大發展，近日迷你火箭界也有不可忽視的佳績。


▲ 尺寸比較圖。

最近日本在 2 月 3 日下午發射全世界最迷你的火箭 SS-520 五號機，大約跟電線桿一樣大，SS-520 把大學生打造的迷你衛星 TRICOM 1R （基於開放硬體的立方衛星 UPSat ）成功送上太空軌道，達成發送人造衛星成功的最小火箭世界紀錄，不過這只是日本經濟產業省牽成的非商業計畫。

這樣小型火箭越來越受到歡迎，為什麼呢？跟小型衛星的發展有很大關係，尤其是略同電腦主機大小 3～5 公斤重的立方衛星，價格便宜大學生即可自行打造。這樣小小的衛星以載重數噸的大火箭送到太空很不經濟，必須跟他人成果集貨起來一起發射才划算。

然而：
大火箭發射的航期，間隔比較長
小衛星的優先度比不上大衛星與其他大型酬載
風險：如果發射失敗，一次百來顆的微型衛星就毀於一射

如果有公司提供運費便宜（ SpaceX 已經是業界最便宜，「運費」也要 5,500 萬美元）、發射頻率又比較高的小型火箭就好了，而 Rocket Lab 就是其中佼佼者。


▲ 1 月 21 日「Still Testing」任務 Electron 發射成功。

太空公司？貨運公司？
Rocket Lab 是紐西蘭的私人太空公司 ，在更早的 1 月 21 日成功發射了 Electron 火箭，把 3 顆迷你衛星送上軌道。幾天前這個發射新聞一閃而過，可能大家很快就一樣了吧？其實這火箭創下了 3 項新的世界紀錄──世界第一支電控引擎的火箭、第一支碳纖維火箭、第一支從南半球發射的火箭。

火箭發射業可說是一門貨運生意，如果說 SpaceX、ULA 提供貨櫃車級的運送服務，那麼 Rocket Lab 大概就是小貨車等級的業者。更進一步，Rocket Lab 跟 ULA 一樣提供線上客製化購物車（筆者過去有分享過 ULA 的購物車），表單填好付費完成，就可以在指定時間把你的小型衛星（smallsat，100公斤以下 ）或立方衛星（cubesat，1 到 3 台電腦主機的大小， 約 3~10 公斤，前述 UPSat 即是）發送到太空軌道。此外，比起 ULA ，Rocket Lab 提供了更貼心的服務，其網站有提供專門的手機版介面，用手機也可以輕易下單。


▲ Q1 的航班已經被預訂 60%。


▲ 給你的小小衛星挑機位，最低運費只要 7.7 萬美元。

哇～幾個大學生自製一個迷你衛星，然後跟 Rocket Lab 填寫貨運單就可以把衛星打上太空耶，先不急，我們是不是應該要先了解一下 Rocket Lab 的貨運車，喔不，是載貨火箭 Electron 的能耐呢？

Electron 火箭的設計與製造

Electron 是兩段式火箭，高 17 公尺、直徑 1.2 公尺，承載重量是 150 ～225 公斤，也就是說 Electron 大約有 6 層樓高，比日本的 SS-520 大一些也可以載得更多。火箭主體採用輕量碳纖維複合材料製成，設計目的是把常規 150 公斤的物品發送到離地 500 公里高的太陽同步軌道。


▲ Electron 火箭的黑色外殼是因為採用碳纖維複合材質。

火箭動力來自 Rocket Lab 自行開發的拉塞福（Rutherford） 液態燃料引擎，引擎名稱是紀念紐西蘭已故著名物理學家歐尼斯特·拉塞福（Ernest Rutherford ，物理課本裡的那一位）。

一顆拉塞福引擎的重量只有 35 公斤，材質是鈦合金，在設計上，其燃料供給控制迥異於傳統火箭，是透過電控以鋰聚合物與馬達的組合來運作幫浦（electric-pump feed cycle），把燃料與氧化劑打進燃燒室產生推力，而且軟體控制取代了傳統的硬體控制，比起傳統氣體產生器循環式（gas-generator cycle ）50% 的效率 ，拉塞福引擎可以達到 95% 的燃燒效率，附帶的缺點只有一個──額外要多負擔電池組的重量。


▲ 拉塞福引擎。

火箭的第一段（升空用）用了 9 顆拉塞福引擎，第二段則用了一顆變體版拉塞福引擎（提升在真空中移動的能力），第一段合計可以產生 162 kN（千牛頓）的推力離地升空，最高峰可以產生 192 kN 的推力，單位推進率（Specific Impulse，ISP）方面有 303 秒（ISP 值越高，表示火箭的燃料利用效率越好）；第二段的引擎推力則是 22 kN，單位推進率 ISP 達 333 秒。

生產上，拉塞福引擎完全由 3D 列印製造而成，印一顆只需要 24 小時，比起傳統火箭引擎，製造時間與費用都大為降低，但有著很優異的性能。可靠性方面，在 1 月 31 日，拉塞福引擎達成了 500 次，累計共 19,000 秒的運行紀錄。


▲ 拉塞福引擎的地面測試影片。

Electron 火箭的酬載倉也有特別設計，火箭尖端—酬載整流罩（Payload Fairing），設計是要能在太空把酬載從主體解體開來，而這些酬載是在發射站組裝到火箭上，這跟傳統火箭程序一樣。不過 Rocket Lab 設計出了酬載外掛模組（Plug-In Payload ），顧客可以帶回，選擇以自己的設施與人員來準備酬載，準備完密封好後再送回 Rocket Lab ，幾小時內就可以裝進 Electron 火箭。這個嶄新作法大為降低瀑布式作業流程延遲的風險，而且讓顧客可以自行準備酬載來待機。


▲ 酬載整流罩。

1 月 21 日 Electron 成功發射且順利進入太空軌道，這開啟了小型商業火箭發射的新紀元，未來小公司如果要開發手機 App 搭配太空中自己打造的小衛星作連線，應該也不是難事吧？除此之外，參加 Google 登月大賽的矽谷 Moon Express 團隊宣稱他們將在今年登月，而他們的夥伴就是 Rocket Lab，如果成真的話，那將達成另外一個新紀錄──登月計畫最小的火箭，我們就拭目以待吧。


▲ 「Its a Test」任務發射升空。

科技果然日新月異以後移民到別的星球應該不是夢想了

只能說3D列印真的太強大了 ..

引擎完全由 3D 列印製造而成
3D列印也太強

如果哪一天真的能發明出一個反地心引力的裝置
那要上太空就簡單多了

3D列印技術再過個幾年就可以製造出生物了吧......

3D技術和小火箭啊！
科技真的是越來越厲害。

3D列印技術能處理鈦合金嗎?
太厲害了

3D列印個滑板車就很讓人期待了