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太空科技大突破!專訪臺灣學界自製的大型混合式探空火箭【團隊篇】

2016.8.24 編按:樂團五月天「頑固」MV 是受到前瞻火箭研究中心(Advanced Rocket Research Center, ARRC)吳宗信老師及團隊研發自製火箭的故事啟發。

文/劉珈均    協助取材/邵意翔、ARRC團隊、美商國家儀器(NI)

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圖01:2014年3月最新的HTTP-3S火箭在屏東海岸準備發射的情形。

「十、九、八、七、六、五、四、三、二、一!」第一道、第二道點火指令下達,直徑 15 公分、高 4.2 公尺的 HTTP-1 火箭冒出幾縷白煙,噴出刺目橘紅火光,一聲呼嘯巨響瞬間飆衝上天,破空留下長長尾雲,大夥兒全看呆了,興奮的大吼大叫「還在飛耶,超遠的!」「我們成功了!」「哇!」「注意看哪!」

過一會兒,火箭失去蹤影,激動的歡呼聲轉為嘈雜低語,幾十張臉仰望天空,雙眼搜尋著火箭,「應該差不多要開傘了。」「它有飛那麼久嗎?」「回報高度。」「開始追蹤訊號。」一個沉穩的聲音透過無線電指示:「觀測站有沒有收到訊號?收到請回答。」

這是 2010 年,臺灣學術界第一個試射成功的混合式燃料火箭 HTTP-1 在屏東旭海升空時的情形。

這混合式燃料火箭是由交通大學機械工程系教授吳宗信,以及臺北科技大學、成功大學、屏東科技大學四校約三四十位師生自力研發製作。當時創下了全球學術界自力研製火箭的飛行紀錄。他們用參與學校所在地新竹(Hsinchu)、臺北(Taipei)、臺南(Tainan)、屏東(Pingtung)的英文縮寫 HTTP 作為研發的混合式燃料火箭名稱,不僅代表著整合性的通力合作,也隱含著研發的未來可能性如網際網路般無遠弗屆。

團隊主要成員包括太空中心火箭專家陳彥升、北科大電子工程系教授林信標、成大工程科學系副教授何明字、屏科大車輛工程學系教授胡惠文。這些跨校成員們自2008年開始自力研發、製作火箭。HTTP-1 火箭發射成功,是前瞻火箭研究中心(Advanced Rocket Research Center,以下簡稱 ARRC)「正式」成立的契機,2012年在私人與企業捐款之下,ARRC 成為正式機構,並作為團隊名稱與「品牌」,由吳宗信擔任中心主任。

2012 正式確立名稱、成立機構之後,行政工作更順暢,也與太空中心簽了合作備忘錄。並陸續加入交大機械系教授陳宗麟、銘傳大學資訊管理系助理教授余仁朋、海洋大學商船學系副教授黃俊誠與中央大學教授張起維。

在學界要單獨從事這樣的研究相當辛苦,人力、資金、場地都是挑戰。吳宗信說:「有太多理由可以放棄了!會繼續作是因為學生的熱情。」他說,上一代常覺得下一代不夠努力,但每個世代面對的課題、接收的資訊並不一樣。「我發現只要給學生相當的基礎和動機,給個適當的環境,其實學生的潛力是無限的。」在試射現場,往往是學生獨力進行系列工作程序,老師旁觀,在必要時指導一下。

從小火箭一步步升級為百公斤的探空火箭

走進 ARRC 團隊在交大的實驗室,架上桌上琳瑯滿目擺著工具,甫於2013年底試射成功的APPL-7 II佇立一旁,白色箭身頂著赭紅鼻錐,刷著寶藍標誌,如士兵站哨般神氣昂揚。

ARRC 團隊的靈魂人物──交通大學機械系教授吳宗信是位臉龐瘦削,講話速度飛快,擁有十足的親和力與科學家氣質的老師,他是美國密西根大學航太工程博士,授課與研究領域涵蓋流體力學、熱力學、電漿相關實驗與模擬、火箭研究與實作。說起團隊研製火箭的故事,吳宗信笑著說:「這是一個自找麻煩的故事,」有人聽了他們的計畫,直呼他們是瘋子,根本不可能實現,「但我們就是要做做看。」

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圖02 交通大學機械系吳宗信老師。

吳宗信在交大主持的實驗室「熱流與電漿物理實驗室(Aerothermal & Plasma Physics Laboratory, APPL)」,近 30 人的實驗室有三分之一成員研究火箭,同時身兼 ARRC 團隊成員,加上機械系教授陳宗麟帶領研究火箭感測器的學生、吳宗信課堂的專題生,交大團隊約十幾人投入 HTTP 研發。

2007 年,吳宗信與在美國認識的好友、他口中的「幕後黑手」──太空中心的火箭專家陳彥升決定將混合式燃料火箭的研發發展為大型實驗計畫,學生在吳宗信實驗室裡,製作小型固態燃料火箭 APPL,2008 開始與成大、北科大、屏科大共約三四十名師生合作,一頭栽進這個「自找麻煩的」HTTP 火箭實驗計畫。APPL 名字取自實驗室名字縮寫,以糖精和硝酸鉀,加上少許氧化鐵反應作為火箭動力,又暱稱為「蔗糖火箭(Sugar Rocket)」。APPL 搭配著 HTTP 研究時程,事先測試用於 HTTP 使用的系統。

「全臺灣找不到另一個跟這裡一樣特別的地方!」周子豪是火箭實驗室裡最資深的成員,從計畫起始之時就身在其中。他說,因為沒有任何基礎,一開始很茫然,毫無頭緒,不知該從何著手,他們想進行的事情在臺灣也沒有太多經驗供作借鏡,成員儼然像拓荒先鋒。一群大學專題生由小火箭開始摸索,後來周子豪升上研究所,著手研發 HTTP 火箭的發動機,當時大四的賴冠融隨即加入,加上實驗室學長們與老師的技術支援,由小火箭循序漸進至 HTTP。

吳宗信說:「雖然至今火箭點火次數超多,到現在還是會怕。」最初的蔗糖火箭曾經成功,也曾原地炸毀,還曾發生過在交大草坪上試驗時,噴嘴崩解彈射出來,後來搬來舊辦公室隔間板充當安全防護。

2009 年,他們第一次發射 APPL-1 小火箭,發射架為不鏽鋼曬衣架拼湊著用,後來也採取過木製架子加上一般的手推車固定的克難方法。隨著火箭系統壯大,團隊轉移陣地,尋覓更空曠的郊區試驗。

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圖03:2009年發射APPL-1小火箭,當時的發射架十分簡陋。

2010 年 HTTP-1 火箭發射前,老師們緊張到睡不著,吳宗信與何明字老師甚至夢到計畫失敗,吳宗信回憶起發射火箭的那一刻,止不住笑容燦爛,眼裡也漾著笑意,成功那一刻的感動永生難忘,那次經驗讓大家相信,太空夢是有可能親手實現的。

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圖04:2010年HTTP-1火箭進行發射前的天線測試(發射端)。

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圖05:2010年HTTP-1火箭進行發射前的天線測試(接收端)。

然而科學實驗的過程總是充滿起伏曲折,眾人灌注所有精力、智慧與期待,結果有可能唱反調或差強人意。2011 年 1 月他們在新竹香山濕地試射 APPL-4,主要是為了要測試降落傘,團隊成員拖著火箭走過泥濘的海灘地,火箭破空 500 公尺,不料加速規電路板裝反了,降落傘未打開,導致飛行電腦摔落地面,電路毀損。後續還有兩支 APPL-6,第一支卡在發射架,第二支的降落傘未開。同年8月,團隊重返屏東旭海試射 HTTP-2α,任務重點是回收火箭本體與資訊,因雨延遲兩三天,100 多人徹夜檢查火箭,複習發射程序,凌晨 3 點驅車到海邊準備,在 11 個月前同樣的地方倒數、點火,火箭卻冒出白煙而不動如山,原來是燃料槽的控制閥出問題,它處於高壓情況過久,馬達轉不動它,笑氣流不過閥門與燃料反應。團隊收工檢查、測試,第二天再試射一次亦然,眾人心情一下由頂峰跌到谷底,只能接受結果,收拾行李回去檢討。

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圖06:2011年HTTP-2α發射前成員仔細檢查系統,不料仍發射不成。

距離 2011 年的發射後,經過兩年的檢討與新人員加入,2013 年 9 月一行人又浩浩蕩蕩地來到屏東東部海岸,準備發射約 4 公尺高的 HTTP-2β 火箭。這次升級了配備、新增了記錄火箭飛行軌跡與姿態的高階光纖陀螺儀、全球定位接收機GPSR。火箭雖然順利將射上接近十公里高空,但通訊狀況卻嫌不佳。

同年底的 APPL-7II 多了個小衛星作為酬載儀器,這是新加入的團隊,中央大學太空科學研究所助理教授張起維率領學生自製罐頭衛星(CanSat)「阿亮一號」,隨小火箭升空測試通訊與感測器。APPL-7II 不負眾望任務成功。

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圖07:2013年APPL-2火箭發射,衝上湛藍天際。

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圖08:2013年順利發射的APPL-7II火箭整體照。

2014 年,火箭研究邁入第 7 個年頭,步伐愈來愈穩健,團隊在今年2月甫完成小型火箭 APPL-8 試射,測試降落傘,3 月 24 日試射總重 300 公斤的 HTTP-3S(S 意為單節火箭),接下來更要一步步試著讓火箭穩定旋轉、設計兩節式火箭,年底將挑戰 HTTP-3 火箭送上 150 至 200 公里高空進行科學實驗。

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圖09:小型火箭APPL-8,2014年2月於香山濕地試射。

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圖10:大型火箭HTTP-3S,2014年3月24日於屏東東海岸試射。

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圖11:HTTP-3S試射現場,左起為太空中心張浩基博士、陳彥升博士、朱志雄博士、吳宗信、胡惠文、蘇芝明。

多領域的技術結合

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圖12:火箭發射前的系統測試畫面。

火箭是集大成的專題研究,一枚探空火箭需要航電系統、感測系統、通訊系統、火箭結構、火箭構型、回收系統相互搭配,加上關鍵的燃燒推進系統。火箭的重心、材質、起飛後的飛行姿態、儀器通訊、何時開傘、降落,每個要求都得納進火箭設計的考慮,也需要精準掌握環境條件。火箭組裝前,各環節系統須經測試、預演等一連串複雜的準備步驟,稍微疏忽都有可能是致命傷。人造衛星、軍事國防、正興起的太空旅遊業,皆需要火箭技術做為基礎。

各校的領頭教授依個人擅長領域分工合作,吳宗信負責推進次系統,同樣是交大機械系的陳宗麟教授負責感測器部分;成大工程科學系副教授何明字負責航電次系統;屏科大車輛工程系的教授胡惠文以前從事汽車工程,現在帶領學生負責研究發射系統、火箭結構與材料;北科大電子工程系教授林信標負責遙測通訊。每個月團隊輪流往返於新竹、臺南或屏東之間開會,報告進度。

詢問起這群夥伴相遇的經過,吳宗信回答:「這很巧!像是天公伯冥冥中有安排。」他解釋,他與這些老師們以前在美國讀書時就認識,沒想到專長領域剛好互補,可以一起做火箭!

火箭藉由不同的氧化劑與燃料搭配、混合燃燒產生高溫高壓氣體,經噴嘴加速噴出,推動火箭向上。交大的學生解釋,火箭主要的燃料模式分為固態、液態、混合式。固態燃料設計最簡單,備便性最佳,但點火後便無法控制推力,安全性較低,部分燃燒配方會產生對人體有害的氯氣;液態燃料火箭的燃料利用效率最大,但燃料槽設計、管線結構複雜。最常用的氧化劑為氧氣,若以氣體儲存,儲藏器必然笨重龐大,通常將之降溫至 -183℃ 成液態氧來縮小體積,但低溫又可能導致管路結冰或金屬脆弱,無法承受振動,因此設計須考量種種因素,成本也貴上許多。

ARRC 團隊的 HTTP 系列火箭最突出的成就在於燃料設計,採用混合式燃料,以俗稱「笑氣」的一氧化二氮做為氧化劑,通過控制閥注入以人造橡膠聚丁二烯(HTPB)的燃燒室,混合後燃燒產生高溫與高壓,做為火箭動力來源。此混合式燃料具有成本低、安全性高、系統簡單、可多次點火調整火箭速度快慢等多種優點。混合式燃料運用技術近幾十年才開始發展,尚不如固態與液態燃料成熟,要支撐起大型火箭,得繼續鑽研。

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圖13:HTTP-2β火箭燃燒艙組裝情形。

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圖14:HTTP-3S火箭燃料藥柱製作。

交大此燃料設計的效率表現亮眼,而要評估火箭的燃料利用效率,就得算「比衝」。舉個例子,比衝 250 秒的意思是,每秒反應 1 公斤重的燃料(含氧化劑)可以得到 250 公斤重的推力;若每秒能反應 2 公斤重的燃料,就獲得 500 公斤重的推力,以此類推。比衝除了與火箭性能和設計有關,也與周圍環境大氣壓力相關,HTPB-N2O 類型的混合式火箭在海平面的大氣壓力下,比衝理想值為 250 秒,在同一條件下,交大團隊研製的混合式燃料比衝比理想值低,若換算成真空條件則現可達 240 至 250 秒。

研發探空火箭還有另外一個目的,探空火箭是各國探測高空時的最佳選擇。在高度 40 公里以下的資訊可以靠探空氣球來蒐集,但要觀測更高的高空則需要發射一顆上軌道的人造衛星,成本約 30 至 40 億,價格不斐。理想中,成本較低的探空火箭可在短短幾分鐘行於天際的時間,迅速啟動儀器,觀測、紀錄、即時回傳資訊,而後返回地表;若作為人造衛星載具,火箭途中分節拋棄部分構造,飛上太空,以每秒 7.6 公里以上的速度背著人造衛星,以精巧的角度讓人造衛星入軌,高速與地心引力達成巧妙的平衡方可讓人造衛星保持在一個軌道,繞地球運轉。ARRC團隊的最終目標也是希望研製出小型人造衛星載具,支援太空和大氣科學的研究。

動手做的精神

「自力研發」是 ARRC 的原則,如此技術才能「操之在我」,火箭的材料必須到處尋求資源,買來原料自己設法加工,不會的地方就查書問人或查網路。擅於衝浪的成員莊康閔利用衝浪板製材的玻璃纖維製作火箭零件;魏世昕逛市集蒐購尼龍布尼龍繩、查找網路教學影片,一針一線縫出降落傘,收納降落傘的曲型管則是設計後找 3D 列印廠商列印出來的。部分元件其實隨手可買得現成品,但有的成本高,有的配備功能多於需求,成為火箭額外負擔。自主設計好處是成員對設備瞭若指掌,能屏除多餘部分,並依點子發想加進需要的功能。

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圖15:成員自行進行HTTP-1火箭航電骨架修改。

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圖16:HTTP-3S火箭航電外殼修正加工情形。

「動手做」的體驗讓人學習思考、學習挫折、學習務實,一次次的失誤同時也是珍貴收穫,團隊學會和失敗相處,反覆的檢討、改進、練習、修正,漸漸讓火箭系統更周全。團隊一路走來,在先天不良的情形下,一點一滴刻苦建立軟、硬體資源,克難帶點跌跌撞撞,但底子磨練得紮紮實實。「這個火箭計畫不僅訓練學生,也訓練了老師。」吳宗信坦言,臺灣學界大部分人多埋首理論,少有實地觀察、研發,實地了解火箭各系統如何搭配、運作細節的機會。

未來

愈來愈大的目標帶來愈來愈多的挑戰,從小火箭到大火箭,並不是只要將火箭各結構等比例放大即可。將火箭尺寸放大不是簡單差事,還關係到結構的強度、耐熱度也要增加,但有些材料性質(如機械強度、化學特性)是不變的,火箭零組件牽一髮動全身,修改一處,模擬、試算工作就得再來一遍;控制火箭旋轉也有許多因素得考量,例如應該把火箭重心位置擺哪裡、要怎麼控制到適當的轉速,讓火箭穩定同時不妨礙搭載的配備儀器運作。周子豪說:「火箭最重要的是確保可靠性,讓一個元件運轉很簡單,但要讓所有零件同時順利運轉很困難,每次出問題的地方都不一樣。」

有別於其他研究單位多專精研究特定的火箭次系統,ARRC 團隊選擇集大成的整合,同時進行火箭各系統研製工作的方式。「臺灣沒這產業,但也是機會。」吳宗信強調:「學會設計並製作『系統』是國家科技進步的動力。」臺灣素以代工科技產品零件聞名,然而,如果有朝一日科技風向改變,不再需要這些零組件時,臺灣該何去何從?

國家實驗研究院的太空中心有系列探空火箭計畫,但這共計10枚的探空火箭的計畫將於今年結束。至今臺灣還沒有送衛星入軌的火箭載具技術,ARRC 團隊最終目標是研製出小型人造衛星載具,支援太空和大氣科學研究,讓臺灣能自主發射衛星,不需倚賴他國。美國詩人婁維爾說:「夢既無所忌,行亦無所懼。」這個自製火箭的計劃一路走來,正是為了未來千里之行的穩固打底,期盼有天臺灣在太空科技領域能獨當一面。

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圖17:ARRC火箭隊全體隊員與HTTP-3S火箭合照。

各校團隊分工表:

學校 交通大學 臺北科技大學 成功大學 屏東科技大學 銘傳大學 海洋大學
領頭老師與實驗室 機械系教授吳宗信:熱流與電漿物理實驗室機械系教授陳宗麟:微機電伺服控制實驗室 電子工程系教授林信標:行動通訊實驗室 工程科學系副教授何明字:控制與訊號處理實驗室 車輛工程系教授胡惠文:複合材料與輕結構實驗室 資訊管理系助理教授余仁朋 商船學系副教授黃俊誠
學生 十幾人 2人 8人 4人
負責工作 推進力系統、感測器、火箭系統整合 通訊系統 航電系統 航架結構、火箭結構 飛行資料即時顯示系統 空氣動力設計
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HTTP-2β火箭準備升空。(ARRC粉絲頁提供)

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HTTP-2β火箭升空。(ARRC粉絲頁提供)

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HTTP-2β火箭升空。(ARRC粉絲頁提供)

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版 2014/9月號

關於作者

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