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探空火箭:探空火箭趣味多

在NASA舉辦的學生探空火箭競賽中表現優異的團隊與個人,有機會得到 NASA及其他研究機構的獎助金及研究補助,甚至有些極具創意的設計還能得到知名航太公司的青睞而應用在航太產品中。
 
 

2017美國NASA學生探空火箭競賽,火箭準備發射。(圖片來源:NASA Student Launch網站;https://www.nasa.gov/audience/forstudents/studentlaunch/home/index.html)
▲2017美國NASA學生探空火箭競賽,火箭準備發射。(圖片來源:NASA Student Launch網站;https://www.nasa.gov/audience/forstudents/studentlaunch/home/index.html)

一年一度美國航空暨太空總署舉辦的探空火箭競賽,去年參加的團隊來自美國各地,從初高中組的18隊,到大學、研究所組的42隊,非常熱烈。這個活動是以鼓勵學生發揮創意,以及提供火箭設計教育訓練的實際動手園地為目標。活動從2016年8月開始召集團隊,公布設計範圍及實驗目標,大略與太空元件概念發展,以及未來可在國際太空站上進行的科學實驗設計有關。

 

團隊在2016年11月完成火箭系統的初步設計審查報告後,接著於2017年1月及2月須完成細部關鍵設計審查報告,以及飛行備便審查報告與答詢。然後所有隊伍在2017年4月都到NSAS 馬薛爾太空飛行中心(Marshall Space Flight Center, MSFC,即1960年代美國發展農神五號(Saturn V)登月火箭的家)集結,進行最後的發射備便審查。緊接著就是大家期待已久的壓軸活動,各隊開始陸續進行發射的操作,以及技術資料的接收與分析,並準備報告。

 

這一系列的工作項目,所有團隊須在5天內完成,工作可說繁重,但大家興致都很高昂。活動結束的時候當然少不了慶祝的宴會,也增進了彼此間的友誼,是一次很成功及很有意義的活動。附帶一提,這個競賽最後的射後評估審查報告已於2017年4月24日在NASA學生發射(Student Launch)的網站上公布。

 

在NASA舉辦的學生探空火箭競賽活動中表現優異的團隊與個人,有機會得到 NASA及其他研究機構的獎助金及研究補助,甚至有些極具創意的設計還能得到知名航太公司的青睞而應用在航太產品中。如此的優質循環活動,達成了一個完整的太空科技人才培育及創意發掘的目標,這是為何探空火箭學生競賽活動備受NASA 及美國政府重視的原因。

 

其實探空火箭是最簡單的火箭系統之一,其飛行穩定是靠空氣動力作用的尾翼,以及快速滾動的動力平衡設計。但由於它的推進系統及火箭外型的操作條件與環境因素和發射衛星的火箭載具相近,因此由探空火箭的設計與製作進入太空科技的研究,是很有效益的教育方式。甚至有一些前瞻的航太科技,也是藉由探空火箭的飛行實驗平台而得到關鍵性的科學突破。

NASA的X-43A Hyper-X計畫。(圖片來源:http://www.dfrc.nasa.gov/Gallery/Photo/X-43A/index.html)
▲NASA的X-43A Hyper-X計畫。(圖片來源:http://www.dfrc.nasa.gov/Gallery/Photo/X-43A/index.html)

最近的一個例子就發生在澳洲的昆士蘭大學。自1957年俄羅斯成功發射了人類第一顆衛星進入地球軌道以來,科學家就一直絞盡腦汁要提升火箭發射衛星的效率,希望能打破只能運送大約3%的酬載重量進入軌道的技術極限。因此極音速(hypersonic)飛行的吸氣動力引擎(air-breathing engine)設計,就成為1960年代以來航太設計者競逐的目標,可惜一直未能突破使極音速引擎在飛行中點燃的技術瓶頸。

波音∕美國空軍X-51 Waverider掛載於B-52左翼下準備發射。(圖片來源:https://www.youtube.com/watch?v=CMfEetSmxz4)
▲波音∕美國空軍X-51 Waverider掛載於B-52左翼下準備發射。(圖片來源:https://www.youtube.com/watch?v=CMfEetSmxz4)

直到2002年,昆士蘭大學的極音速研究中心利用梗犬-獵戶座探空火箭,把他們設計的超燃衝壓引擎發射到高空,加速到每秒超過2公里,大約音速8倍的高速後,成功地點燃了引擎,並得到寶貴的燃燒運作資料。這一成就對於之後幾年超燃載具的成功設計,如NASA的X-43A Hyper-X計畫、波音∕美國空軍X-51 Waverider計畫等,都提供了很大的幫助。這是一次低成本高回饋,最佳探空火箭運用的實例。

 

近年來,探空火箭在國際航太界的應用仍然持續受到重視。主要的實驗項目包括微重力實驗、太空船再進入高抗熱材料實驗、太空元件的飛行、太空環境驗證實驗、極音速飛行載具實驗等。這類實驗的高價值在於探空火箭的飛行涵蓋了全空域、全飛速以及準衛星的環境,在經過探空火箭驗證後的系統與元件,在國際上會被認可為已屬於太空的等級,其商業價值將因此大為提升。

 

台灣的探空火箭實驗計畫是由1998年中山科學研究院(簡稱中科院)的兩節火箭設計開始的,與國際上的做法相似,都是採用固態燃料火箭發動機提供推力。

太空中心∕中科院兩節探空火箭發射瞬間(圖片來源:太空中心探空火箭計畫)
▲太空中心∕中科院兩節探空火箭發射瞬間(圖片來源:太空中心探空火箭計畫)

這型火箭的第一節推力大約為10噸,能把總重不到2噸的探空火箭快速地在6秒內加速到接近音速的2倍,也就是每秒六百多公尺的速度,這時會把燃料已用完的第一節丟掉。然後再過6秒後,第二節會接續點火讓火箭繼續加速推進。在第二節完成30秒的推進後,火箭就可達到超過6倍音速的飛行速度,也就是每秒超過2,000公尺的極音速。這樣由兩節火箭所提供的動能足以讓實驗酬載往上衝到接近300公里的高空,再轉為往下的飛行。

太空中心探空火箭太空關鍵元件酬載的研發(圖片來源:太空中心探空火箭計畫)
▲太空中心探空火箭太空關鍵元件酬載的研發(圖片來源:太空中心探空火箭計畫)

在第二節結束推進,到火箭重返大氣的這段期間,大約6分鐘,就是這型探空火箭能進行實驗的時段。太空中心與國內學界團隊利用這樣的探空火箭,自1998以來至2014年底計畫結束之前,總共發射了10次,包括第一次的火箭系統測試,以及其他9次的科學實驗,研究項目涵蓋了電離層研究、衛星推進器、酬載回收艙、火箭滾轉控制平台、光纖陀螺儀等。

太空中心探空火箭電離層儀器酬載的研發(圖片來源:太空中心探空火箭計畫)
▲太空中心探空火箭電離層儀器酬載的研發(圖片來源:太空中心探空火箭計畫)

其中電離層的儀器經探空火箭測試後,更發展成為國家福爾摩沙衛星五號上的科學酬載,被送往美國西岸范登堡空軍基地發射。這個發展過程對於國內太空科技的發展及學界太空人才的培育,以及探空火箭計畫都提供了正面的貢獻。

 

為了更擴大學研界直接進行火箭技術的自主研發,筆者於2007年開始籌劃,藉由主持探空火箭計畫與國內大學團隊的合作與了解,擬定了啟動混合式探空火箭系統的研發。混合火箭通常是使用液體的氧化劑,加上固態的燃料所組成,氧化亞氮與合成橡膠或過氧化氫與合成橡膠是兩個常使用的組合。

 

選擇混合火箭推進技術的原因,是有鑑於其極明顯的安全性及具有的學術研究價值,很適合由台灣的科技團隊來發展。而且筆者在1980至90年代於NASA馬薛爾太空飛行中心研究時,就對混合火箭系統設計有完整的經驗,因此2005年回國後,就提倡發展混合火箭的衛星發射載具。

 

太空中心於2008年正式啟動混合探空火箭的研發計畫。起初決定評選兩個大學團隊,一方面是為了能擴大參與,另外則是期望能夠產生良性的競爭,讓大家能有相互激勵的創意效益,結果證明這個方法是正確的。其實在歐、美、日等先進國家,一直以來都是維持這種競爭相長的做法來看待高科技的發展,這也是他們在科技上能一直領先的主要原因。

 

這次計畫的成員包括成功大學及交通大學兩個團隊,參與的學生人數眾多,主要來自工學院不同科系的學生。這一期的計畫在2014年結束,原本規劃繼續啟動下一期的計畫,但因經費問題而告終。但2014年3月執行的滾轉控制酬載,在當年10月發射的中科院探空火箭實驗中,圓滿達成減滾的任務需求,這是把學界發展的技術整合到中科院火箭系統中,成為重要的姿態控制次系統的一次成功首創案例。

 

在這個計畫中,台灣的學界混合探空火箭團隊從設計、製造、組裝、次系統測試驗證,到發射操作、飛行資料處理等,除了一些加工件的委外製造外,整個火箭系統都是由教授帶學生完成的。過程中,團隊成員還學會用縫紉機製降落傘、使用維他命C製作點火器、用塑材3D列印做火箭部分結構等,具系統工程設計的完整訓練過程與寶貴經驗。

 

在研發過程中,兩大學團隊共執行了5次主要的發射活動,發射高度達到約10到15公里之間。這對於大學的研究團隊來講,已經可以跟歐美大學的火箭研究團隊相提並論了,其中也包括一些創新的設計與學術論文的發表。

 

同時,由於所使用的氧化亞氮在攝氏20度時的蒸氣壓大約是50個大氣壓,需要使用碳纖複材的高壓桶來裝載,火箭團隊也克服萬難研發了這項技術,使得火箭系統能使用這種輕盈又強韌的氧化劑桶,降低影響火箭系統性能關鍵之一的總重量。這項製造高壓容器的技術未來可應用於儲氫儲能的綠能產業中。

 

台灣民間經過這一階段的混合探空火箭的研發,已建立了團隊優良的研製基礎,也與國內眾多的加工廠商建立了通暢的合作關係,這也是火箭技術在民間扎根的一個重要過程,與當今先進國家紛紛推動太空發射民營化的國際趨勢完全契合。太空科技有了這樣的基礎技術能力,再加上國內產學研界很多新創的航太技術,如前面提到的衝壓及超燃衝壓的前瞻研究,或太空船再進入大氣所需的先進熱防護材料等,都能藉由這個實驗平台得到航太級及太空級的測試驗證,大幅提升產品的商業價值。

 

國際航太界對於航太技術產品的等級評斷,是根據NASA啟創的一套管理與評審體系,稱為航太「技術備便層級」評分系統。這系統總共分為9個等級,從最基礎的概念設計的第1等級,到最成熟能直接提供任務服務的第9等級,其中第9等級等於是妥善率極高及風險極低的產品。

 

通常通過探空火箭測試驗證的產品,由於已通過火箭發射高動態加速及振動的嚴苛環境,以及在實際高空或太空真空環境中的功能操作測試,因此可認定為第6等級的航太產品,這已是很有價值的航太產品了。台灣的航太產業若能善用這樣的探空火箭實驗平台,建立國際認可的新創產品驗證系統,將可對國內產業的提升提供一個極具建設性的技術研發及產業發展模式。

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