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探空火箭:台灣自主探空火箭之路–混合火箭的研發
2015年10月28日,成功大學火箭團隊以1,000公斤推力等級發動機為基礎,開發完成的成大Ⅲ型混合火箭於屏東旭海發射成功。飛行電腦把火箭飛行軌跡資料完整地傳回地面接收站,創當時亞洲學術界混合火箭飛行紀錄。
 
 

由中科院天弓飛彈改良而成的探空十號火箭升空瞬間(圖片來源:維基百科網頁)
▲由中科院天弓飛彈改良而成的探空十號火箭升空瞬間(圖片來源:維基百科網頁)

時空背景

 

當今世界除少數太空強權外,有能力發射衛星進行太空科學研究的國家屈指可數,然而這不代表我們就可以在這領域缺席。一般太空科學研究可透過探空氣球、探空火箭或人造衛星來達成,惟探空氣球飛行高度有先天的限制,而人造衛星造價高昂,技術門檻也高,於是性價比值高的探空火箭便成為從事太空科學研究的首選。

 

台灣學術探空火箭計畫已執行多年,並獲得良好成果。由中山科學研究院(簡稱中科院)天弓飛彈改良而成的兩節式探空火箭載具,從1998年至今已發射10次,有9次成功,僅2001年的探空二號火箭發射後未達預定高度就落海,無法完成科學探測任務。

 

由於中科院有其自身的任務,又顧及發射費用、頻率等因素,使得由中科院提供探空火箭載具的方式漸漸不能滿足學界要求。另一方面,也因微電子科技的發達,促使微衛星、奈米級衛星甚至皮米級衛星逐漸發展蓬勃,顯示往後的衛星發射不見得需要依賴造價高昂,技術門檻高的大型火箭載具。事實上,國外已有許多民間公司開始發展輕量級的衛星發射載具,以大幅降低發射成本,增加發射頻率。

 

綜觀以上主客觀因素,台灣學界開始覺得有自主發展探空火箭載具的必要,且若能自主發展成功輕量級衛星發射載具,不僅能擠身衛星發射國家之列,太空科學研究也不必再依賴他國,相關科技所衍生的效益自不在話下。再衡量學界的人力、財力、物力及各項資源的取得等因素,兼具安全、可控、構型簡單及成本低廉的混合火箭便成為最適合學界研發的新型態火箭。

 

什麼是混合火箭

 

為什麼會選擇混合火箭做為發展的標的呢?首先必須先來談談火箭的基本原理。當把一個氣球吹滿氣後放手,氣球會到處亂飛,因為氣球內的壓力會驅使氣體噴出造成反作用力,使氣球能夠飛行,直到氣球內外壓力平衡。火箭的原理正類似這個氣球,必須在內部製造源源不斷有壓力的氣體使之從噴管噴出,火箭才能持續地前進飛行,那麼該如何獲得源源不斷的壓力呢?答案就是燃燒作用。

 

燃燒需有3要件。第一是燃料,也就是可以燒的東西;其次是氧化劑,也就是可以幫助燃燒的物質;第三是點火裝置。對火箭科技稍有涉獵者都知道傳統的火箭分為固態燃料火箭與液態燃料火箭兩種。前者把燃料與氧化劑充分混合後固化做為推進劑,優點是構型簡單,缺點則是燃料與氧化劑因已充分混合,只要稍有火花就有燃燒爆炸的危險。另一個缺點是它不可控制的特性,點燃後不能控制推力或停止。

 

至於液態燃料火箭,是把液態燃料及氧化劑分開儲存,經由管路幫浦抽送導引至燃燒室後再燃燒產生推力。優點是不會像固態火箭那般容易失控爆炸,且可在管路中裝置節流閥,使得推力可控,這點對於載運衛星入軌非常重要。不過,構型複雜是其缺點,且液態推進劑常需低溫處理,使得液態火箭的操作成本很高。著眼於液態及固態火箭的優劣,火箭科學家便思考可否設計一種火箭可兼具安全、可控、構型簡單及成本低廉的特點?混合火箭於焉誕生。

 

混合火箭的基本構型

 

混合火箭的組成架構相當簡單,其基本樣式由氧化劑供應槽、控制閥門、燃燒室、噴注器、燃料藥柱、推力噴嘴,加上點火器組成。工作時,須先開啟點火開關,藉由點火藥片燃燒的高溫燃氣使部分燃料蒸發成可燃氣體,再打開主控閥讓氧化劑衝進燃燒室產生劇烈燃燒作用,高壓熱氣流由噴嘴噴出就可產生推力。其中,氧化劑主控閥可以是一個節流閥,只要控制氧化劑流量大小就能控制推力大小,甚至關閉火箭引擎。

 

典型的混合火箭採用固態燃料及液態氧化劑,例如成功大學發展的混合火箭就採用石蠟與端羥基聚丁二烯(hydroxyl-terminated polybutadiene, HTPB,一種液態人造橡膠)的混合物做為燃料,再以氧化亞氮(N2O,俗稱笑氣)做為氧化劑,兩者都是安全、價格低廉、容易取得的物質,且燃燒時排放非常潔淨,是一款環境友善的飛行載具。混合火箭的燃料與氧化劑的選擇有非常大的排列組合空間,未來發展潛力甚大。

 

台灣學界混合火箭發展歷程

 

火箭科技精密複雜,牽涉的專業領域廣泛,往往需靠大量資源及時間的投入方能有成,但相關技術及關鍵性零組件卻被各國視為機密而管制出口。因此,火箭科技需自主研發且從零開始一步一腳印地建立起來,由下述台灣學界發展混合火箭的歷程可以略見一二。

 

成功大學航太系及航太科技研究中心長期以來一直重視火箭推進的學術研究,並已有良好成果。混合火箭的研發工作始於2001年,至今已16個年頭,是台灣學界研發混合火箭的先鋒,一路走來,從無到有備嘗艱辛。研發期間歷經無數挫折,但團隊同仁不屈不撓,終於嘗到飛試成功的喜悅,也帶動了國內研發混合火箭的熱潮。

 

成功大學混合火箭研發歷程大致可分為3大階段。第一階段是實驗平台的建立與燃料藥柱燃燒性能基礎研究;第二階段是火箭實體設計、製造與測試;第三階段則是火箭飛行性能驗證。各研發火箭經設計研製後還需經歷水平測試、直立測試及飛行試驗3個階段。

600公斤推力等級發動機的水平測試
▲600公斤推力等級發動機的水平測試

在水平測試時,主要著眼於火箭燃燒推進效能的驗證,火箭本體設計以堅固安全為考量重點。直立測試是為火箭飛行試驗做準備,等於是飛試的模擬考,所有構件都與飛試件相同,如何使結構輕量化又能承受發射時的衝擊與震動是設計的一大重點。另外,舉凡發射系統、儀電控制及酬載電腦都須納入聯測範圍。到了飛試階段是先前努力成果的總驗收,各小組的任務分工是否得宜?火箭組裝、發射標準程序的模擬演練,以及突發事件的應變是發射前預演的考核重點,都通過了才能進入真正的飛試階段。

 

迄今,成功大學已打造了成大I型、成大IA型、成大II型、成大IIA型、成大III型等各式不同推力及用途的火箭。

成大Ⅲ型混合火箭的直立測試
▲成大Ⅲ型混合火箭的直立測試

第一階段:實驗平台的建立與火箭燃燒性能基礎研究 研發初期(2001至2006年)以申請國科會研究計畫方式進行,目標是建立混合火箭設計、研製及測試能量,內容涵蓋火箭推力測試台架、簡易點火控制、資料擷取系統等的建立。藉由可靠的實驗數據、方法與分析模型,做為硬體構型、氧化劑噴注器設計、藥柱幾何構型等改進的依據,反覆實驗直到目標達成。

 

研究初期曾以純氣態氧(gaseous oxygen, GOx)做為氧化劑,燃料使用端羥基聚丁二烯(HTPB)。研發團隊開發了箭外型瓦斯點火取代傳統火藥,以達到混合火箭安全的特性又能順利點燃目標。另經多次不同材料的測試發現,火箭尾部噴管須選用熱解石墨,才能耐得住高溫高速熱流的侵蝕。對研發團隊同仁而言,這也是培養默契,練兵學習的好機會,很多寶貴的實務經驗,教科書沒寫的知識都可以在實際的工作中獲得,對國內火箭科學人才的養成有莫大幫助。

 

第二階段:火箭實體設計、製造與測試 第二階段是從2007年開始,由中科院及成功大學合作進行,以設計飛行試驗火箭為主要目標,成大I型混合火箭的設計建造就此展開。為符合飛試條件,前階段的部分操作方式及設計必須更動。例如氧化劑部分,氣態氧無法提供火箭飛行時的穩定供壓,因此改採氧化亞氮,然因其在常溫下的蒸氣壓達50~70大氣壓力,因此設計輕量化又能承受高壓的容器成為研發團隊的挑戰之一。

 

至於燃料方面,由於原HTPB燃料的燃燒率較小,因此改以HTPB與石蠟的混合物取代,這新配方燃料的藥柱製作較為簡易,利用紙管以旋轉成型方式製作,大大降低了製作成本及成型時間。另外,為取得更精準的實驗數據,測試平台也改用電腦全自動操作程序。在這一階段,研發團隊建立了火箭設計的標準流程及測試方法,在自主混合火箭研發的進程上又往前邁了一大步。

 

第三階段:實體火箭飛行性能驗證 成大I型混合火箭設計推力30公斤,所有材料都在國內取得,是百分百台灣學界自主打造的火箭。因是首次設計的飛試火箭,僅著眼於推進系統與發射系統的驗證,沒有酬載與飛行電腦的設置。火箭在2009年初完成場內地面測試,研發團隊隨即展開飛試準備,工作包括小組任務分工,發射現場程序SOP的擬定、排練、選定發射地點、申請發射許可及發射窗口等。

 

在2009年5月26日於台南市歸仁區的沙崙農場,大家按照既定程序順利完成射前準備。發射時,在現場指揮官喊出「發射」指令後,火箭應聲筆直升空,拖著劃破長空的呼嘯音,不一會兒就竄入雲霄不見蹤影。現場人員首次經驗了火箭發射的音爆與震撼,一時歡聲雷動互道恭喜,歷經數個月準備工作的緊張與壓力終於放下。成大I型是全國第一枚飛試成功的混合火箭,在場的國家太空中心與中科院專家共同見證了這個台灣火箭研發史上的重要時刻。對研發團隊成員來說,多年的努力與辛苦總算獲得甜美的回報。

 

除了積極執行探空火箭計畫飛行測試外,成功大學團隊也進行成大I型的改良工作及研製更大推力的混合火箭發動機,例如把箭身直徑擴至10.6公分以安置飛行電腦、酬載及降落傘回收裝置,同時以複合材料製作氧化劑筒以及改電熱分解方式點火,以解決原設計瓦斯點火裝置在部分燃料藥型點火能量不足的問題。

成大IA型混合火箭飛試,火箭升空後以降落傘落地回收。
▲成大IA型混合火箭飛試,火箭升空後以降落傘落地回收。

成大IA型混合火箭於2013年3月20日在台南市歸仁沙崙農場飛試,火箭飛至設定高度成功脫節並啟動降落傘緩緩降落。不過,因商用GPS無法跟上火箭的高速飛行,所以無法取得定位資料,顯示高動態GPS的研發是刻不容緩的課題。

 

成大I型混合火箭飛試成功後,時值國家太空中心公告以混合火箭做為基礎的探空火箭研究計畫,選定由成功大學與交通大學兩所大學並行發展。成功大學團隊分別於2010(成大II型)及2011(成大IIA型)年在九鵬地區阿朗壹古道附近海邊展示了以300公斤推力的混合火箭飛行,並驗收成果。

 

在成大IA型的製作測試期間,更大推力的火箭發動機的研發並沒有停歇,火箭推力一路成長,從300公斤、600公斤、1,000公斤、2,000公斤,到2013年3月28日2,400公斤平均推力的發動機水平試驗成功,燃燒時間28秒,總衝量達67,000公斤∕秒。至10月23日,更建立成功目前國內最大推力3,000公斤等級的混合火箭發動機。

成大Ⅲ型混合火箭升空瞬間及飛行軌跡圖
▲成大Ⅲ型混合火箭升空瞬間及飛行軌跡圖

2015年10月28日,成功大學火箭團隊以1,000公斤推力等級的發動機為基礎,開發完成的成大Ⅲ型混合火箭在屏東旭海發射成功。雖然設計飛行高度是20公里,但考量當天天候及安全因素,調整了發射角度,致使飛行高度僅達9.1公里,射程16.39公里。飛行電腦把火箭飛行軌跡資料完整地傳回地面接收站,創當時亞洲學術界混合火箭飛行紀錄。成大Ⅲ型混合火箭長5.3公尺,直徑28公分,起飛重量194公斤,是目前國內已飛試成功的最大型混合火箭。

 

展望未來

 

除台灣學術界外,全世界也有多所大學從事混合火箭的研發,較具代表性的是美國史丹佛大學、荷蘭戴夫特理工大學、德國司徒加特大學、日本北海道大學等。

 

其中,史丹佛大學於2006年與美國航空暨太空總署合作混合火箭飛試計畫,原本計畫在2012年進行飛試,但因種種因素不了了之。荷蘭戴夫特科技大學的DARE團隊則於2015年飛出高度21.5公里佳績。德國司徒加特大學的火箭甚至於2015年達到飛行高度32公里,是目前學術界混合火箭飛試高度世界紀錄保持者。另外,日本北海道大學也在2012年飛試CAMUII混合火箭,達到高度7.2公里的成績。

 

相較於上述的荷蘭與德國大學受到歐洲航太總署及德國國家航太單位的大力支援,沒有特別奧援的台灣學術界能設計製造出實體飛試的混合火箭,成績也不遑多讓,誠屬不易。台灣學界混合火箭研製可以說已走出實驗室,邁入實用階段,不僅技術完全自主,材料取得容易,完全不受先進國家的零組件管制的限制,價格也非常有競爭力。無論用在探空火箭做為科學研發平台或擔任軍事靶彈都極具潛力。若再持續研發,相信發展成輕量化微衛星發射載具是指日可待的事。

 

惟因國內科技政策延續性不夠,經常造成研發工作中斷,研發能量累積不易,國機國造便是一個明顯的案例,值得科技政策制定者三思。

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