以完全可重複且快速部署的發射系統革新太空經濟

在早期的發射載具時代，往往需要多年研發且耗費數十億美元，才能具備進入軌道的能力，但這些火箭 (及其上節) 在發射後完全無法回收。第一節，也就是推進助推器階段，通常會在大氣層燒毀，或是預計落入海中。同時，承載酬載的第二節，則會被棄置於軌道上成為太空碎片，或在重返大氣層時燒毀。許多早期的太空任務，例如登月或探測其他行星，本就採取一次性任務的設計。引擎、結構與航電系統都無法承受重返地球時的高溫，更遑論翻修與重複使用。

隨著太空經濟持續發展，預估到 2035 年時，將達到 1.8 兆美元的規模，反覆打造新火箭在經濟上或環境上，都不再是可行方案。這種方式也無法滿足快速且可靠進入太空的需求，更跟不上發射頻率所需的節奏，無法支援目前在商業與軍事領域的太空需求。因此，一場全新的太空競賽正悄然展開，創新者正競相搶佔市場先機，致力於開發下一項完全可重複使用的突破性火箭技術，以及軌道上動態太空任務操作。

Stoke Space 正是這場競賽中的佼佼者之一。這家總部位於華盛頓州肯特市的新創公司，提高了這場競爭的門檻，成為極少數同時開發第一節與第二節皆可快速重複使用的完整發射系統的企業之一。Stoke Space 推出的 100% 可重複使用中型火箭，能實現進入太空、在太空中移動，並從太空返回地面的完整能力，其目標是將目前的部分可回收火箭軌道進入成本，大幅降低數個數量級。

Stoke Space 正與商業及政府機關客戶展開合作。該公司已募集近 5 億美元的創投資金，並成功銷售多次完全可重複使用火箭 Nova 的商業發射任務。

Stoke 也獲得國防創新單位 (DIU) 頒發的 450 萬美元補助金，用於推動「可實現快速且精準的點對點太空遞送，包括進入軌道、軌道間轉移，並透過創新重返載具與方法，精確返回地球」的商業解決方案。DIU 隸屬美國國防部 (DoD)，該單位致力於加速採用商業與軍民兩用技術，以求更迅速解決實際運作方面的廣大挑戰。除了獲得 DIU 補助外，Stoke 已納入 OSP-4 IDIQ 合約，支援具戰術應變能力的美國太空軍任務命令，同時也與美國能源部 (DOE) 合作執行研究計畫。

Super Nova

Stoke Space 推出的 Nova 火箭，配載可重複使用的上節，其設計可在飛行各階段具備動態機動能力。此外，這項創新的上節技術，同樣應用於太空中的機動解決方案，包括重新定位衛星與其他太空資產；將酬載運送至不同目的地，例如月球基地或火星任務；以及回收在微重力環境下製造的材料、設備與零組件帶回地球，其展現出所謂的太空物質回收能力。當這些任務完成後，上節將安全穿越炙熱的重返熱環境，垂直推進降落回到地球，並可迅速翻修後重新發射。

Stoke Space 的 Nova 火箭第二節，可讓客戶隨需直接進入專屬奇異軌道。由於第二節通常比第一節更複雜且造價更高，因此若可重複使用，得以大幅降低整體發射成本。此外，可重複使用的第二節，還能提升執行任務的頻率與多樣性。即便是如深太空探測這類具有挑戰性的任務，也因能以更低成本發射重型酬載而成真。

最終，火箭能在無需長時間維修的情況下重複使用，將大幅增加可執行任務的件數。將固定成本分攤至更多次的發射任務，有助於進一步節省成本，讓酬載客戶得以將更多預算，投入自身技術與核心任務上。

我相信自己可以飛翔：在發射前以模擬驗證火箭技術

當然，要打造能如同商業航空一般，可以高頻率運作的可重複使用火箭，可說絕非易事。事實上，這正是航太領域目前面臨的最大挑戰之一。這些發射載具必須能承受極端溫度、龐大內部壓力、高頻振動以瞬間衝擊。載具還必須具備足夠推力以進入太空、充分效率以節省燃料，而且相當可靠至僅需有限翻修即可重複使用多次。

「雖然這些事情最後都必須實地進行測試與驗證，早期開發階段的模擬，有助於排除基本故障模式，讓工程師能更快進入實測階段，並以真實世界的資料作為主要依據。」Stoke Space 營運長 Kelly Hennig 表示。

「在這個階段，電腦輔助設計 (CAD) 與分析之間的無縫整合、快速產生網格與高效求解至關重要，而 Ansys 在這些領域表現極為出色。」她說道。 

這也是為什麼 Stoke Space 團隊高度依賴 Ansys 模擬軟體的原因，他們主要在整個發射系統使用 Ansys Mechanical 結構有限元素分析軟體，並搭配 Ansys Thermal Desktop 熱中心建模軟體分析酬載環境。「我們的構想是讓硬體以為它正在太空飛行。」工程設計負責人 John Ziadat 表示。

「我們在開發的所有階段都使用 Ansys 模擬，以深入瞭解熱、壓力、慣性等各種負載，在飛行期間對硬體的影響。」他說道。

政府事務副總裁 Scott Zweibel 補充，模擬確保 Stoke Space 能在每個任務階段，都符合相關的要求。這包括保護火箭的整合式引擎與隔熱罩，這是一套兼具推進與防護功能的獨特系統，可在火箭重返大氣層過程中確保安全。

打造能自我冷卻的隔熱罩

安全重返地球大氣層，是太空載具任務中最具挑戰性的階段之一。在這個關鍵時刻，載具必須承受極高的熱能與壓力，這對其結構與系統可能造成嚴重損害。為確保安全重返地球，Stoke Space 使用 Mechanical 軟體，進行全面熱應力分析，協助其開發出號稱「全球最強韌且唯一具備主動冷卻機制的重返隔熱罩」。

不同於傳統上應用於太空飛機或太空艙的隔熱罩，其結構多仰賴被動材質承受高溫且吸收熱量，Stoke Space 的隔熱罩採用主動冷卻設計，具備自我降溫能力。具體而言，這套再生冷卻系統讓推進劑流經隔熱罩內的冷卻通道，吸收來自燃燒室與噴嘴的熱量，進而驅動渦輪，為燃料與氧化劑幫浦提供動力。隔熱罩周圍嵌有推進器，可在重返過程中，為上節提供操控與控制能力。

不同於大多數太空載具採用耐高溫但易碎的陶瓷隔熱磚，Stoke Space 的隔熱罩是以金屬材質打造。因此具備優良的延展性與結構強度，在多次任務之間不太需要翻修作業。

Nova 火箭的隔熱罩不過是讓其與眾不同的關鍵特色之一。它的第一節引擎採用全流量分級燃燒 (FFSC) 循環，這是一種兼具高性能與高效率的設計，其架構複雜，由許多互連元件組成。

縮短期待與現實之間的差距

2024 年 12 月，Stoke Space 在位於華盛頓摩西湖的私人測試基地內，使用新建的垂直測試台，成功點火測試 Nova 火箭的第一節引擎。熱點火測試是指在固定測試台上點燃測試火箭，藉以驗證引擎效能，包括推力、燃料消耗率與整體運作狀況，盡可能模擬實際飛行條件。

儘管這是「Zenith」FFSC 引擎的首次垂直點火測試，但它只是一系列測試中的最新一次，

目的是盡量重現真實環境，並縮小預測與實際硬體表現之間的差距。

Hennig 表示，Ansys 在縮小這項差距的過程中扮演了關鍵角色。

「隨著開發持續推進，Ansys 在處理非線性問題，以及結構動力學、熱傳、流體與聲學等領域的能力變得不可或缺。」她說道。「使用 Ansys 進行整合性與全方位模擬，有助於確保實體測試與預期結果高度一致，讓開發到實際應用的過渡更加順暢又可靠。」

Ansys 軟體也協助 Stoke Space 的工程師，不僅能確認硬體是否運作，還可以理解其背後的原理，進而因應參數變動與任務需求做出調整。

此外，由於 Ansys 高效能運算 (HPC) 套件可與 Amazon Web Services (AWS) 整合，Stoke Space 得以用具成本效益的方式，取得大量的運算資源，進一步加快設計流程。Ziadat 指出，事實上，過去在本地端可能需要好幾天才能完成的解決方案，現在只需幾小時就能處理完畢。

「我們必須動作快速，要達成這一點，唯一的方法就是透過數位模擬。」Hennig 表示。「Ansys 讓我們能設計出多個迭代版本，在測試後快速更新模型，瞭解當初的假設是否正確，並迅速重複整個流程。」

在打造新一代火箭的競賽中，擁有這樣的速度，無庸置疑是一大優勢。

深入瞭解 Ansys Cloud 運算解決方案。