01
開水當燃料，來真的？
SpaceX的星艦都已經第六次試飛了，觀者對於超大型火箭的關注可以說從沒降溫過：我們關注它的起落方式、隔熱層材料、燃料選擇、回收、深空二次點火等等技術細節。但實際上還有更超前、更不可思議的火箭一級助推器已經能兼具大推重比和回收性，比如“水火箭”。
幾乎所有現役火箭都是靠火箭發動機向前推進的：當火箭發動機點火以後，推進劑——可以是液體也可以是固體，混合氧化劑後，一起在發動機燃燒室裡燃燒。幾百上千噸的燃料瞬間產生大量高壓氣體，然後從發動機噴管高速噴出，對火箭產生反作用力，送火箭上到預定的軌道。
但是如果跳過燃燒這步可以嗎？從原理和實踐來說都是可行的。美國一家致力於太空探索的非營利科研機構Arca Space（下簡稱Arca）已經研發出一款將傳統發動機省去，並可以快速送重型飛船上天的“發射輔助系統”（Launch Assist System，LAS）。
這款助推器的燃料箱中不再是燃料，而是被加熱到250攝氏度的高溫高壓的水。由於自帶高溫和高壓，自然也就沒必要配備傳統發動機，去做一系列加熱加壓的工作了。
在發射的瞬間，水會一下子爆沸，化成水蒸氣噴出，同樣利用反作用力把火箭送走。這個火箭助推器結構乍聽起來類似於在大鍋爐下加了噴嘴，不像一個真正可以應用的火箭，卻真的已經走到了地面試車階段，甚至已經有以水為推進劑的小型軌道火箭送了10公斤物資上天。
這也再一次證明，航天事業中越反直覺的研究，反倒越可能實現。
02
長板突出，短板更驚人
先細說一下它的整體結構，LAS全身上下都是複合材料打造的，這樣能夠更好地承燃料貯箱內外的高溫高壓環境。燃料貯箱又分內外兩層，內層用來隔熱，保證傳導至外層的溫度不能高於110攝氏度，因為外層材料中有環氧樹脂，受熱就會軟化；外層則是為了承受壓力，如果溫度過高，承力體就會失效。
傳統運載火箭的一級助推器往往需要一套極其複雜的增壓輸送系統，才能保證大量高危化學品燃料能順利在幾秒內轉化為強大的動力。但水火箭的“大鍋爐”不需要，2800多噸的水能有什麼危險？
用水作為燃料的優勢之一就是操作風險低，能極大程度上提高運載火箭的可靠性。在發射臺上發生“鍋爐爆炸”總比由成百上千噸高能化學燃料組成、威力堪比核彈的傳統火箭爆炸要好多了。
可能會有人疑惑，這個水是燒好再罐裝還是在火箭內加溫？它又是怎麼一直保持高溫的直到發射以及回收時二次加壓？這就要靠鋰電池了。
在燃料貯箱內其實有2%的良性相脫穩劑，水是被加熱到250攝氏度後再注入“發動機”的，這個過程中部分水會蒸發；在發動機中的加熱就要靠火箭內部的高放電鋰聚合物電池了，電池也是Arca特製的，據稱在發動機執行期間釋放的電能超過小型核反應堆產生的電能，且每次發射後，太陽能和風能都可以為其火箭的電池充電。
不過，水火箭的最大優勢還不是安全性，而是誇張的“推重比”，也就是發動機所產生的最大推力與其所負擔的火箭重力之間的比例，這一點和它簡單的結構息息相關。
水爆沸會有自生增壓，同時起飛時的巨大加速度又能帶來機械壓力，也能起到一定的增壓效果。這樣一來，Arca的水火箭竟然得到了極高的推重比，推重比越高發動機的推力就越大，完全可以在運載火箭從地面起飛時，用來迅速將火箭推出地球重力井的底部。
另外，由於在起飛需要最大推力，也就是排放最嚴重的階段，Arca採用的推進劑是完全無汙染的水，因而能夠大大降低運載火箭在發射時對地球大氣層的汙染。
從成本角度來說，LAS也美好得像一場夢。商業火箭企業目前選擇的主要路線之一的液氧甲烷，儘管相對於液氧煤油、液氧液氫等，液氧甲烷是以價廉物美聞名，但一噸的價格也要萬元左右，而水費價格直接降維打擊。
由於燃料幾乎等同於不要錢，同時一級助推器驚人的推重比大大減少了火箭發射時的重力損失，這使得上面級可以使用相比同級火箭輕得多的推進劑量，將更重的載荷送入軌道，連低成本之王SpaceX也很難與水火箭的報價相抗衡，據瞭解，Arca運力60噸的“HAAS Heavy”報價僅4000萬美元，而同級別的重型獵鷹可是9000萬美元。
03
比衝是LAS的超短板
但是比較尷尬的是，推重比極其優秀的水火箭，比衝卻是一塌糊塗。
比衝是衡量火箭動力的重要引數，比衝值越大，動力效能也就是發動機的效率越好，通俗解釋就是每消耗一個單位的推進劑所換來的推力大小。但是水火箭的比衝值只有兩位數，哪怕是起飛推重比最強的產品，在不載荷的情況也只能到達4.5馬赫的速度和50km的高度（其他產品一般在2馬赫左右、3km的高度），想用來直接送火箭衝出卡門線進入亞軌道都很難。
正是因此Arca才把自己的產品命名為“發射輔助系統”，大力宣揚它的長板。在官網介紹中，Arca將水火箭定義為火箭第一級的輔助產品，“對於助推器來說，重要的是推重比，而比衝則是次要的。”
按照他們的分析，啟動時的加速度越高，軌道飛行器的飛行效能就越好。因此LAS既可以作為第一級火箭和Arca其他產品配合運送一些小衛星，也可以當作一級火箭的輔助推進器，跟別的公司產品配合。且和其他商業火箭公司一樣，他們也有可回收產品。
LAS分一次性使用和迴圈使用兩種。一次性使用的水火箭細長，下接一個常見的漸縮漸擴的喇叭形噴嘴；而可回收使用的LAS則像“星艦”的一級火箭“超重”一樣粗壯，下接的噴嘴也是特殊的環形氣尖噴嘴。
04
可回收最難的構造
氣尖噴嘴（或稱氣動塞式噴管）不是新東西，它所代表的氣尖發動機更是發射系統的一個“奇蹟”。之所以可回收LAS需要用到氣尖噴嘴而不是傳統的鐘型噴嘴，是因為可回收火箭的飛行高度更高，對推重比和比衝的要求也要更高，回收的時候還要靠氣尖噴嘴的推力室控制來精確調整姿態——氣尖發動機透過其獨特的設計，能夠在從地面到太空、臨近地面的過程中自動“調整”排氣噴射的形狀，保持更接近於理想的膨脹。
早在上世紀 60 年代，研究者就已經把氣尖發動機視為一種能在所有大氣壓環境下使用的火箭發動機。但這個研究到現在，之所以也就Arca在勤勤懇懇的研發，其他研究者基本都放棄了，是因為它實在太重、風險太大。
火箭起飛時，發動機產生的氣流壓力要剛剛好等於周圍大氣壓，只有這樣，氣流才能完全向火箭執行方向的“正反向”推，如果周圍大氣進入噴嘴太多，會導致噴管結構破壞。傳統的噴嘴其實是有個加速的作用在，因為氣流透過中部窄小地方時流速已經超過音速，反而遵循截面越大，流速越快的原則，然後再擴散；火箭升到一定高度，氣壓環境也就變了，一級火箭就該脫落，讓下一級火箭開始工作。
氣尖發動機不需要，它可以透過結構的改變調整了燃氣噴出後的膨脹狀態，使其能“自適應”不同高度的環境壓力或者說阻力。但在推重比相同的情況下，它的零部件數量也越多，也就更重；而且散熱也比較麻煩，氣尖噴嘴的大面積外露表面直接接觸高溫排氣，所以其熱管理比傳統噴嘴更為複雜，通常需要更有效的冷卻設計。總的來說，開發研究成本高、風險大，收益也不一定更好，所以被商業公司拋在腦後。
但是Arca還是一股腦要走到底，畢竟在增強火箭推進系統的可變性和效率方面，氣尖發動機仍是備選之一，誰知道下一代飛行器到底會由誰來推動？
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編輯｜張毅
稽核｜吳新
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