火箭升空時使用的固體火箭助推器是利用什麼燃料產生推動力：深入解析其推進原理與核心成分

火箭升空時使用的固體火箭助推器是利用什麼燃料產生推動力：深入解析其推進原理與核心成分

當我們仰望夜空，看見火箭伴隨著一道劃破天際的火光和震耳欲聾的轟鳴聲直衝雲霄時，那股驚人的推動力，許多時候正是來自於火箭兩側或底部巨大的固體火箭助推器。這些助推器在火箭升空的最初階段提供絕大部分的推力，幫助火箭克服地球引力。那麼，這些強大的固體火箭助推器，究竟是利用了什麼「燃料」來產生如此巨大的推動力呢？

答案是：固體火箭助推器所使用的並非傳統意義上的液體燃料，而是一種預先混合並固化成型的特殊物質，我們稱之為固體推進劑（Solid Propellant）。這種推進劑本身就包含了燃料和氧化劑，經過點火後會快速燃燒，產生高溫高壓的氣體，這些氣體透過噴嘴高速噴出，從而依據牛頓第三定律產生巨大的推力。

固體推進劑的核心成分：複合式推進劑（APCP）

在現代大型火箭助推器中，最廣泛使用的固體推進劑是一種稱為過氯酸銨複合式推進劑（Ammonium Perchlorate Composite Propellant, 簡稱 APCP）的類型。這種推進劑之所以被稱為「複合式」，是因為它是由多種不同化學物質均勻混合而成。其主要成分包括：

1. 氧化劑：過氯酸銨（Ammonium Perchlorate, AP）

• 作用： 過氯酸銨是APCP中最重要的氧化劑，約佔推進劑總重量的60%至70%。它的作用是在燃燒過程中提供氧氣，讓燃料能夠劇烈燃燒。
• 特性： 過氯酸銨是一種白色結晶固體，在高溫下會分解釋放出大量氧氣、氯氣和水蒸氣。它的穩定性和能量密度使其成為固體推進劑的理想選擇。

2. 燃料與黏合劑：聚丁二烯類聚合物（Polybutadiene-based Polymers）

• 作用： 這類聚合物同時扮演兩種關鍵角色：
  1. 燃料： 它本身是一種高分子有機化合物，在燃燒時會產生能量。
  2. 黏合劑（Binder）： 它是推進劑的結構骨架，將所有固體顆粒（如過氯酸銨和鋁粉）均勻地黏合在一起，形成一個堅固且可塑的固體塊（稱為推進劑顆粒或藥柱）。常見的聚合物包括端羥基聚丁二烯（Hydroxyl-Terminated Polybutadiene, HTPB）或聚丁二烯丙烯腈（PBAN）等。HTPB因其優異的機械性能和能量特性，是目前最受歡迎的選擇。
• 特性： HTPB通常是一種黏稠的液體，在混合過程中與固化劑反應後會變成堅固的橡膠狀固體。這使得推進劑在製造時可以被澆鑄成任何所需的形狀。

3. 金屬燃料：鋁粉（Aluminum Powder）

• 作用： 鋁粉作為一種高能量密度的金屬燃料，約佔推進劑總重量的10%至20%。它的主要目的是顯著提高推進劑的能量輸出，從而增加火箭的推力。鋁在燃燒時會產生氧化鋁（Al2O3），這是一種非常堅硬的陶瓷物質。
• 特性： 燃燒鋁粉會產生高溫火焰，並在噴射氣流中形成微小的固體顆粒，這些顆粒雖然會增加排氣的重量，但它們能夠在一定程度上提高排氣的密度和速度，進而增加總體推力。這也是固體火箭助推器排出濃密白煙的主要原因之一。

4. 其他添加劑：增塑劑、固化劑、燃燒速率改性劑等

• 增塑劑（Plasticizers）： 這些物質用於調整推進劑的物理性質，使其在製造過程中更容易混合和澆鑄，並確保最終固化的推進劑具有良好的柔韌性，能夠承受運送、儲存以及火箭升空時的結構應力。
• 固化劑（Curing Agents）： 與聚合物黏合劑反應，使其從液態固化成穩定的固體塊。
• 燃燒速率改性劑（Burn Rate Modifiers）： 如氧化鐵、炭黑等，用於精確控制推進劑的燃燒速度，以達到設計所需的推力曲線和燃燒時間。
• 穩定劑（Stabilizers）： 用於防止推進劑隨著時間的推移而降解，確保其長期儲存的穩定性和安全性。

「固體火箭推進劑的精妙之處在於，它將燃料與氧化劑巧妙地融合為一體，省去了複雜的泵送和混合系統，實現了極高的能量密度和結構簡潔性。」

固體火箭助推器的工作原理

當固體火箭助推器被點火時，內部推進劑塊（藥柱）會從預設的點火表面開始燃燒。由於藥柱內部通常設計有特殊形狀的孔洞（例如星形、圓柱形或月牙形），這使得燃燒表面積可以隨著燃燒的進行而變化，從而實現精確控制推力輸出。燃燒產生的超高溫、高壓氣體（可達攝氏3000度以上，數百個大氣壓）會迅速湧向助推器尾部的噴嘴，透過噴嘴的縮小擴張設計，氣體會被加速至超音速並向後高速噴出，由此產生巨大的向前推力。

與液體燃料火箭不同，固體火箭助推器一旦點火，就無法停止或調整推力（除非設計有特殊的推力終止裝置，但這在大型助推器中不常見）。它們通常會在數分鐘內將所有推進劑燃燒殆盡，然後被分離拋棄，以減輕火箭的重量，讓主級液體火箭發動機繼續將酬載推向預定軌道。

為何大型火箭選擇使用固體火箭助推器？

固體火箭助推器在火箭發射中扮演著不可或缺的角色，主要基於以下幾個優勢：

• 極高初始推力： 固體推進劑的能量密度和燃燒速率通常很高，能夠在短時間內產生巨大的推力，這對於火箭克服地球引力，實現快速離地升空至關重要。
• 結構簡單： 相較於液體火箭發動機需要複雜的泵、閥門、管道和儲罐系統，固體助推器結構極為簡單，僅包含推進劑、外殼、點火器和噴嘴。這大大降低了製造成本和複雜性，也提高了可靠性。
• 可靠性高： 由於部件少，固體火箭助推器的故障點也相對較少，其可靠性在許多情況下比複雜的液體發動機更高。
• 易於儲存和運輸： 固體推進劑在常溫下穩定，可長期儲存，且不需要低溫保存或特殊的加注過程，便於運輸和發射準備。
• 成本效益： 對於提供一次性的巨大初始推力而言，固體火箭助推器通常比同等推力的液體發動機更具成本效益。

最具代表性的例子莫過於美國太空梭（Space Shuttle）計畫所使用的固體火箭助推器（SRB），以及目前正在服役的太空發射系統（Space Launch System, SLS）所搭載的延伸型固體火箭助推器。這些助推器在短短幾分鐘內提供超過總推力80%的力量，將數百噸的火箭和太空船送上太空。

總結

固體火箭助推器利用的是一種經過精心設計和製造的固體推進劑，而非單一的「燃料」。這種推進劑以過氯酸銨為氧化劑、以聚丁二烯類聚合物為燃料和黏合劑、並輔以鋁粉等金屬燃料及各種添加劑，共同構成了一種高效、強大且可靠的推進系統。它在火箭升空初期提供的巨大推力，是人類探索太空不可或缺的關鍵技術之一。

常見問題 (FAQ)

1. 如何區分固體火箭助推器的「燃料」與「推進劑」？

「燃料」通常指單一的燃燒物質，例如汽油或氫氣。但在固體火箭助推器中，我們更常用「推進劑」一詞，因為它是由多種化學物質（包括燃料、氧化劑、黏合劑等）預先混合、加工並固化成型的整體物質，能夠自行提供燃燒所需的氧氣，並產生推力。固體推進劑是一個更為全面和準確的術語。

2. 為何固體火箭助推器在發射後無法關閉或調整推力？

這是固體推進劑固有的特性所決定。一旦推進劑被點燃，整個藥柱的燃燒會沿著預設的表面持續進行，直到所有推進劑燃燒殆盡。由於沒有可控制的閥門來切斷燃料或氧化劑供應（不像液體火箭），因此一旦點火，燃燒過程便無法停止或被即時調節。這使得固體火箭助推器在設計上相對簡單，但也犧牲了靈活性。

3. 為何固體火箭助推器在燃燒時會產生大量白煙？

固體火箭助推器產生大量白煙的主要原因是推進劑中包含大量的鋁粉。鋁粉在燃燒時會產生細小的固態氧化鋁（Al2O3）顆粒。這些氧化鋁顆粒隨著高溫氣體排出噴嘴後，在空氣中冷卻凝結，形成了我們所見的濃密白色煙霧。這種白煙是鋁粉作為高能量金屬燃料燃燒的直接產物。

4. 除了複合式推進劑，還有其他類型的固體推進劑嗎？

是的，除了過氯酸銨複合式推進劑（APCP），還有其他類型的固體推進劑，例如雙基推進劑（Double-Base Propellant），它主要由硝化纖維素和硝化甘油組成，常用於較小型的火箭或軍用導彈。不過，對於需要極大推力的大型運載火箭助推器而言，APCP因其更高的能量密度和更可控的燃燒特性，是目前的主流選擇。