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火箭發射成功或失敗,也跟它耐不耐壓有關?—《科學築夢大現場》

編按:這是一個自找麻煩的故事,也是一個用熱血推動夢想的歷程!故事說的是台灣的火箭團隊 ARRC,從 2008 年開始投入研究、親手打造火箭,2010 年 9 月,才初嘗發射成功的滋味。

火箭飛離地面要花很大力氣與地心引力拉鋸,混合式火箭用來把火箭推離地面的燃料與氧化劑合稱為「推進劑」。光是推進劑就佔了火箭總重量高達 90 %(飛機、船、汽車的燃料比都不到 50 %),也就是說一整支火箭幾乎全部的空間都用來裝載飛行所需的能量。

壓力容器的原理跟水火箭類似,高壓的笑氣儲存於壓力容器中,所以當閥門打開便會從出口流出液態的笑氣到燃燒艙(火箭引擎)中了。圖/《一起離開地球上太空!:ARRC自製火箭》提供

壓力容器的原理跟水火箭類似,高壓的笑氣儲存於壓力容器中,所以當閥門打開便會從出口流出液態的笑氣到燃燒艙(火箭引擎)中了。圖/《一起離開地球上太空!:ARRC自製火箭》提供

混合式火箭的組成,主要包含一個裝有液態氧化劑的壓力容器與一個裝有固體燃料的燃燒艙,壓力容器與燃燒艙中間有一個閥門將氧化劑與燃料分離。當火箭發射時,首先點火融化固態燃料,而後打開閥門,讓氧化劑流入燃燒艙,氧化劑與燃料起化學作用進而產生推力。儲存氧化劑的壓力容器,要能承受非常高的壓力,本身就是一門很大的學問。

壓力超大的「壓力容器」

日常環境中為 1 大氣壓,若是使用笑氣,壓力容器內部必須承受 60 大氣壓的壓力,基於安全考量,設計時必須耐壓達 90 大氣壓力。所以壓力容器既要承受高壓,又必須夠輕才不會讓火箭超重。這個壓力超大的任務,是由屏東科技大學團隊負責。

為了達到又輕、強度又強的目標,團隊一開始使用鋁合金製作壓力容器,它的強度不遜於鋼,重量則輕得多,只是有一個大麻煩,使用傳統 TIG 銲(鎢極氣體保護電弧焊),銲接過後強度幾乎減半。壓力容器因為必須承受高壓,實驗階段總是驚險萬分,成員得做好萬全準備才行。有一次當成員將笑氣從鋼瓶灌入壓力容器中,沒想到壓力容器突然爆開──氣體體積可以壓縮,一旦裝填氣體的高壓容器爆炸,碎片會像炸彈般高速四射。實驗室頓時煙霧瀰漫,物品東倒西歪,還有塊碎片將門後柱子鑿出缺口,幸好沒有人員受傷。不過,這場意外嚇壞不少人,也差點擊垮老師們的信心,一度很猶豫是否該繼續作火箭。壓力真的很大!

後來團隊在鋁合金內膽貼上玻璃纖維強化,搭載這個壓力容器的 HTTP-1 成功升空後,給了團隊很大的鼓舞,但這樣的技術無法滿足未來的火箭,必須進一步研究更高階的複合材料,首選材料是「碳纖維」,這是一種強度比鋼大了四倍、比鋼或鋁合金都輕、比人類頭髮還細的纖維,含碳量 90 % 以上。這麼高強度而輕量化的材料,自 70、80 年代便普遍用在航太領域如火箭、飛彈外殼,後來延伸應用到跑車、釣魚竿、運輸工具等體育休閒產業。

不過,想使用這材料的門檻相當高,一台碳纖維纏繞機要價新台幣數千萬,台灣只有中科院擁有碳纖維的纏繞設備和技術。最後團隊只能尋求民間廠商協助,不過,當聽說是要做火箭時,廠商還以為是遇到詐騙集團!後來廠商了解團隊計畫與夢想後,轉而大力相挺。

外層黑黑的是碳纖維包覆,目的就是為了要減輕重量。圖/《一起離開地球上太空!:ARRC自製火箭》提供

外層黑黑的是碳纖維包覆,目的就是為了要減輕重量。圖/《一起離開地球上太空!:ARRC自製火箭》提供

越來越耐壓

2011 年 8 月,ARRC 在屏東旭海試射第二枚大型火箭 HTTP-2α,任務重點是回收火箭本體與資料。對於製作壓力容器的屏科大團隊而言,這也是他們檢驗以新的材料、新的製作方式設計的壓力容器是否能成功執行任務的機會。

這次的任務卻因颱風、暴雨延遲兩三天,火箭團隊一百多人徹夜檢查火箭,溫習發射程序。發射當天凌晨兩三點成員們就驅車到海邊準備,在 11 個月前同樣的地點、同樣興奮的心情倒數、點火,卻只見火箭冒出白煙,HTTP-2α 仍優雅的掛在發射架上,發射失敗。大家只能垂頭喪氣的收工回民宿,他們仍不放棄,不斷進行各項檢查,第二天再試一次,但結果還是一樣,眾人心情一下由頂峰跌到谷底,只能接受失敗的事實。後來細查原因,原來是推進段的燃料槽控制閥內的鐵氟龍墊襯處於高壓情況過久而嚴重變形,馬達轉不動它,導致笑氣無法通過閥門與固態燃料進行反應,沒有辦法燃燒燃料,當然就無法升空了。

HTTP-2α 沒升空,屏科大團隊無法確認新製程之下的壓力容器是否能穩定進行飛行任務。他們直接在海邊卸除儲槽內的氧化劑,那些從儲存槽釋出的壓力轉化為團隊心頭上的壓力。在準備第三支火箭 HTTP-2β 的發射期間,屏科大團隊持續尋找更高階的設備,希望製作出更耐壓的壓力容器,HTTP-2β 的飛試足足延了一年。在這一整年裡,團隊補足許多分析與細節測試,把 HTTP 的設計提升到另一個層級;同時,另一家位於桃園的廠商熱血幫忙,也讓團隊有了堅強的後盾。

睽違了兩年的 HTTP-2β 順利升空,HTTP-3S 也緊接著六個月後發射。證明了壓力容器的製作已經達到穩定。以往每做一個壓力容器就要動員整個屏科大實驗室,現在製造一個成品只需 4 人。


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本文摘自科學築夢大現場 01《一起離開地球上太空!:ARRC 自製火箭》,親子天下出版。

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