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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【火箭篇】

文/劉珈均 攝影/劉珈均、邵意翔

協助取材/ARRC團隊、美商國家儀器(NI)

前言

本刊2014 年9 月號中詳盡記載了前瞻火箭研究中心(ARRC) 的團隊構成與發展過程,本回「火箭篇」更進一步,詳細介紹今年3 月份成功發射的HTTP-3S !

火箭問世尚不足一世紀,已成為人類執行大氣研究、太空探索任務不可或缺的配備。火箭由上而下大致分為鼻錐、航電系統、壓力容器(燃料儲槽)與推進段,任務成敗端視各個次系統是否順利分工合作。HTTP-3S 為國內學界研發至今最大型的混合式探空火箭,此次發射目的主要為了測試各項系統於高速飛行時的功能,同時做為接下來研發雙節式大型探空火箭的演練。在火箭成功衝向天際這短短幾分鐘的背後,是數不清的摸索、學習、開會討論、模擬、修改、測試、再修改,是跨校團隊無盡心血與經驗累積的成果。在本篇中,筆者將一步步帶您解析HTTP-3S 火箭如何組成,同時介紹ARRC 火箭的演變。

HTTP-3S 結構圖

HTTP-3S 火箭結構圖(ARRC 小編特別繪製)。

探測任務:鼻錐與酬載

火箭前端尖頭部分稱為鼻錐,是放置酬載(payload,也就是執行探測任務的設備或實驗儀器)的地方。後來加入 ARRC 的中央大學團隊專司大氣研究,在HTTP-3S火箭上多增加了一個酬載。

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)」,從去年底開始與ARRC合作,所開發的「阿亮一號」曾隨交大的小型火箭 APPL-7II 升空測試。此次的「阿亮二號」負責測試高空訊號收發,內建的 GPS 也用來協助火箭回收作業。罐頭衛星外型迷你,在27公分高、直徑21公分的挖空保麗龍圓柱中,放置了一個裝著Arduino控制器的可樂罐,防止與火箭內部其他儀器相互干擾,另有幾組天線放置在可樂罐旁邊。中央大學成員邱奕中說,以後會試著把衛星射出火箭,探測平流層以上的高空資訊。

交大成員將中央大學的罐頭衛星「阿亮二號」裝入火箭鼻錐。衛星可測試高空訊號收發,內建的GPS 也幫助火箭回收作業。

交大成員將中央大學的罐頭衛星「阿亮二號」裝入火箭鼻錐。衛星可測試高空訊號收發,內建的GPS 也幫助火箭回收作業。

控制核心:航電系統

航電系統是控制火箭飛行的「重點部位」,把物品(酬載)載上天的過程是否順利、有沒有偏移,是航電系統關注的目標。航電系統是由成功大學工程科學系副教授何明字帶領的團隊負責,並由交大的陳宗麟老師協助感測器與火箭系統整合。

成大實驗室成員高碩聰就讀博一時加入團隊,自HTTP-1 時期便開始參與。他說,目前航電系統的任務很簡單:回報火箭飛行高度、何時該開啟降落傘、關閉閥門等。航電控制的理想情況是讓火箭能依不同任務執行不同的飛行樣態,但目前還沒有達到該航控目標,不清楚火箭發射後會怎麼飛,所以模擬必須精準,否則無法回收火箭。

火箭的航電系統大多是將一整臺電腦(PC或工業電腦)放在火箭上,為避免指令錯誤或電腦當機,常會多放幾臺以比對各自指令、聯合執行,或做為備份。不過HTTP-3S不需要用到PC,而是採用單晶片,將程式直接寫在晶片裡,這種簡單的控制器不需灌入作業系統,高碩聰說:「PC的作業系統一定是裝別人的核心,能掌控的東西十分有限,除錯時變得很複雜。」單晶片的體積不但小很多,容易回溯出錯的地方,也可以輕易增加備份或更新,因為架構全利用一個個「node」組成。node是指一個節點,可以把它想成一個電腦或控制器,用在飛行電腦或控制一個閥門,若火箭變成兩節、三節,需要兩三個閥門依序開關,此時再增加一個node即可。目前航電系統分成三層功能各異的次要系統,一個node控制火箭飛行、一個控制閥門開啟、一個專門蒐集資料。

剛開始設計時,為了放進兩套系統,使用了兩塊控制晶片,但晶片之間的溝通線路複雜又容易出錯,到第二版的火箭才換成CANbus(控制器區域網路,為一種通訊協定,允許網路上微控制器和裝置不經由主機控制直接通訊),之後便維持此架構,並依任務需求把架構圖擴大。雙節火箭至少會用到四個node。

火箭上有許多感測器,如經度、緯度、高度、氣壓,以及一些偵測火箭飛行對結構影響、火箭控制會用到的感測器,資料量龐大。在PC中有軟體可處理,但只用node寫程式會很麻煩,團隊便直接使用NI的LabVIEW系統,其讀取感測器資料後,經運算整合再將最重要的資訊傳給團隊。

通訊系統常影響航電,天線功率約7瓦,因為功率大,容易影響航電,負責通訊的北科大團隊與成大團隊常常得一起密集測試,高碩聰回想以前研發的日子,兩團隊在各自的實驗室測試再如何順暢,整合時一定會發生問題!火箭結構甚至也影響航電,原本的火箭外殼是玻璃纖維,HTTP-2β任務時,火箭一切測試都完成後,將火箭纏繞上碳纖維,讓外殼更堅固。殊不知電一開,航電系統就熄了,原以為當機而已,結果整個航電系統燒毀,後來查出原因是碳纖維會導電,電流短路導回航電系統,將航電破壞殆盡,高碩聰說:「為了這問題我們又搞了一個月吧,當時已經做得非常有信心,覺得OK了,結果碳纖維套上去燒掉,聽到又要拆都快哭了!」有了那次經驗,航電段的外殼便維持玻璃纖維。

高碩聰表示:「航電系統目前負責的工作就是讓火箭能順利的飛上去,還沒有做到飛行時的控制,希望之後能完成這個目標。」未來HTTP的航電系統會分為兩大部分,一個負責各感測器的資料處理,另一個則是控制單元。火箭飛行的時候,飛航電腦會同時檢測路徑是否符合軌道,不符合預定軌跡便會以控制噴嘴等設備即時修正,做到真正的控制。

成員將鼻錐與航電系統段相接。

成員將鼻錐與航電系統段相接。

支撐火箭的靠山:發射架

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兩個屏科大成員爬上六公尺高的發射架,檢查安全設備與定位裝置。

發射架是發射火箭時要最先搞定的工作。屏科大學生們比其他團隊早了四天到試射地點,焊接、組裝樣樣來。現場總有許多突發狀況,為避免強風或其他因素導致發射架升起未達指定位置,兩個學生扣上安全索,爬上六公尺高的發射架,檢查安全設備與定位裝置。

回顧最初的HTTP-1火箭,因尺寸小,發射架升起只靠人工舉起;但隨著火箭不斷的改良,HTTP-3S火箭比前兩代火箭重了三倍,得重新量身打造發射架。

HTTP-3S 發射架的結構剛性與強度是依照預計明年發射的HTTP-3雙節火箭而建造,主導設計的是屏東科技大學團隊成員陳庭維和黃詮峻。屏科大團隊原負責火箭結構、壓力容器等,HTTP-3S 任務首次將發射架也交給他們處理。

一開始陳庭維在網路上搜尋各式各樣的發射架資料與圖片,先模仿再修改。最後設計了三腳支撐式的發射架,中間升起部分採用油壓機構升降,概念設計完,便建立電腦圖檔、分析機構動作與強度等一連串測試,結果相當順利,也符合想像的作動方式。挑戰來自最終的實作。

有位李總經理自HTTP-1任務起便熱心幫忙,陳庭維帶著工程圖與他討論,李總指出許多錯誤與實務經驗,陳庭維北上前往李總公司討論發射架設計問題的次數多到記不清,繪製的工程圖超過500張,陳庭維轉述李總反應:「你們老師敢把這麼大的案子交給一個學生,真的很大膽!」甚至笑陳庭維也傻傻的一個人接下來了,他認為,這在外面別說要單一個全職的工程師負責,連一整個團隊來負責,他都會感到緊張。後來黃詮峻接力設計出雙塔式衍架結構。

黃銓峻一樣從CAD 開始設計CAE的結構強度分析,繪製、修改工程圖的過程彷彿永無止境,接著還要克服場地問題、升降機構以及主結構,最大難題是升降機構電控部分,因團隊對機構電控是外行,便請外面的廠商設計電控系統。黃銓峻與廠商不斷溝通,走過繪製、修改工程圖的無限迴圈,到了最後獨自操作發射架升降的步驟,這是實現設計最重要的一環,卻又發生升上去但未達高度、上去了降不下來等問題,成員頂著大風爬到六米高的桁架,陳庭維說:「那種站高處,風一直迎面想把你拍打下去的感覺真的十分嚇人。但是我們都知道現在不是驚嚇的時候,要趕緊找出問題,最後發現,原來是焊接加工上的誤差以及熱變形所造成的尺寸偏差。一點點突起塊就讓整個發射架下不來!」

為桁架漆上白色(與火箭的鮮橘色相搭配)後,終告完工!發射前,桁架進行了最終演練,每個環節都小心翼翼地再三確認與測試,當火箭上架就定位,成員依已演練了50次以上的SOP,慢慢將發射架升起。當天正好為滿月,火箭升起的姿態像要前往月亮一樣。「雖然發射架舉升至預計位置不過約10分鐘,但是這十分鐘對於我們來說像是10年。」

ARRC 成員將火箭架上桁架,隨後桁架與火箭測試升降。

ARRC 成員將火箭架上桁架,隨後桁架與火箭測試升降。

火箭桁架升起。

火箭桁架升起。

動力來源:壓力容器(氧化劑高壓儲存槽)

壓力容器攸關火箭是否能穩定搭載燃料進行飛行任務,此工作由屏東科技大學團隊負責,帶領該團隊的胡惠文教授在美國普渡大學正是專攻複合材料研究,不過團隊由理論過渡到實作,依然經過了漫長時間的摸索。複合材料成本及技術門檻都很高,對「初學者」負擔很大,最初設計的笑氣高壓儲存槽(一般稱為壓力容器,pressure tank)是採用重量較輕且強度不遜鋼材的鋁合金做為壓力容器的主要材料。

然而,鋁合金銲接是一大挑戰,因其銲接後強度會降低一半以上,曾因此發生壓力容器強度不夠,灌氣程序失敗。團隊不得不導入複合材料,在鋁合金內膽上貼上玻璃纖維。HTTP-1成功發射後, 團隊進一步研究複合材料的材料與製程,材料從玻璃纖維轉而更高階的碳纖維,製程由手積層轉成更為複雜的機械纏繞。

然而, 下一次的HTTP-2α並未追隨HTTP-1 的腳步直衝天際,團隊無法驗證更換材料與製程後的壓力容器,是否可穩定搭載燃料進行飛行任務。因壓力容器的結構耐壓性遲遲達不到預期等級,接下來的任務延後。直至HTTP-2β成功發射,有了成功經驗,3S的製程才變得相對從容,現在內膽為相對好焊接的不鏽鋼,也避免熱漲冷縮造成纖維脫層。

儲存槽不能受壓太久,灌氣的時程須由火箭發射時間往前回推。HTTP-3S於3月24日清晨發射,灌氧化氮的時機就定在前一天傍晚。約十位交大團隊的成員留在發射場將98公斤的笑氣灌入火箭儲存槽。灌氣時須退至場邊,並透過電腦以攝影機監看鋼瓶的重量。當鋼瓶重量減輕20公斤後,就得將鋼瓶從吊車卸下換上新的,如此換了5瓶,灌氣程序耗費兩個小時,就ARRC的經驗算快。晚上大家分組輪流到發射場守夜,等候隔天清晨發射作業。

正在為火箭換裝笑氣的鋼瓶,要灌入將近100 公斤的笑氣。成員退到離火箭二三十公尺遠的空地邊界,監看螢幕轉播灌氣過程與鋼瓶重量。

成員正在為火箭換裝笑氣的鋼瓶,要灌入將近100公斤的笑氣。

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成員退到離火箭二三十公尺遠的空地邊界,監看螢幕轉播灌氣過程與鋼瓶重量。

與火箭「對話」:通訊系統

一次次任務會訂定火箭飛行高度的目標,這就牽涉到通訊,沒有訊號回傳就無法確定火箭高度。高碩聰笑說,火箭若訊號不好或失去通訊,成大和北科大團隊就會「吵架」,互開玩笑:「我們的電腦都活著,都是你們的通訊沒有把訊號打下來,害我們不知道資料。」而北科大團隊也「不甘示弱」:「我們天線好好的,是你們電腦當機,不把資料打下來我有什麼辦法?」到目前為止,出狀況時仍無法完全確定是電腦或天線的問題,只能概略猜測。

通訊系統由北科大電子工程系教授林信標帶領團隊設計研發,主要負責的學生為碩二學生劉訓彰。無線電看不到摸不著,得從一次次實驗歸納各個情境下通訊的表現結果,在火箭這種高速移動的物體上通訊與地面的長距離測試狀況又有所不同,劉訓彰說:「在地面上最接近的東西是高鐵吧,但又不太可能把這系統掛在高鐵車廂外面,趁它行車時測試,所以得不斷模擬。」

ARRC 團隊研製了2.4GHz 與434MHz 的雙頻段收發系統, 並自製火箭端的兩頻段 PA 與天線, 可達數百公里的傳輸距離。團隊也打造出「分散式連網地面接收系統」,在地面上離火箭發射點約50公尺處的涼亭設有一通訊站、安檢所的頂樓與地面各一站、試射處直線距離1公里與4公里處左右各有一站,由五個點同時接收火箭傳下的訊息,比對通訊狀況。同時,也將重要資訊即時傳輸到遠端控制中心的雲端平臺。

隨著一次次任務,團隊不斷改良錯誤率、通訊品質,在正式發射HTTP-3S 時,通訊系統的表現不負眾望。火箭全程飛行過程中,所有飛行電腦與導航感測資料均順利下傳至分散式連網地面接收系統,堪稱最順利的一次。劉訓彰回想起發射HTTP-3S這段過程仍「餘悸」猶存:「要發射時我幾乎看到人生跑馬燈!想說要是沒成功收到訊號一定又要被罵得很兇,心情很緊繃,接收很順利心裡反而異常平靜,喔,資料有收到,很好。」

發射之後:Yo-yo減滾系統與降落傘回收系統

火箭破空後會自然旋轉以保持穩定,但轉速太快會讓火箭上儀器無法運作,太空中心提供的 Yo-yo 減滾儀器(despin device)是由 ARRC 的屏科大團隊研發。減滾儀器將火箭由每秒2轉減至每秒0.5轉,讓火箭保持穩定的同時維持正常通訊。

發射後要讓火箭順利回收, 降落傘系統是關鍵。它能讓火箭以安全速度降落,太快可能損傷火箭本體,太慢則可能讓火箭在降落過程中飄太遠(因無法控制降落方向,只能任其隨風飄盪)。

為了降低重量,傘繩和布料通常使用目前最輕薄且強度最高的尼龍材質,尼龍布為永樂市場購入,夠細又強度高的理想繩子則是在釣魚店找到。負責降落傘系統的交大團隊成員魏世昕自力縫製降落傘,目前已製作了十頂以上,只要成功回收就能重複使用。魏世昕表示,比較麻煩的是系統設計,要如何依火箭速度與高度,設計不同開傘程序,讓火箭安穩降落,是一門很大的學問。若是開傘時速度過快,會造成極大的瞬間拉力,不僅可能損壞降落傘與火箭,甚至會造成傘繩斷裂、火箭直接墜落,所以得設計一系列程序來進行。

為讓測試符合真實情境,降落傘始終是APPL火箭飛行測試項目之一,但在這之前還要小測試,專業方式是靠風洞,但學校沒有足夠大的風洞,當地科技公司的風洞也只能測試小傘。魏世昕的方法是跑到校內最高的樓層(11樓),將降落傘綁著水桶丟下去(但高度不足,仍有測試限制)。

設計隨著每次任務有所差異,第一代是利用火藥將降落傘連同鼻錐彈射出去;第二代都是藉火箭在中間分節後, 再以火藥從分節區彈出降落傘,分節的設計是利用爆炸螺栓,將扣緊的兩節火箭斷開; 第三代時,因3D列印技術更趨成熟,零件製作也彈性許多,改為用火藥從火箭側邊彈出。三種設計在 APPL 系列都成功過,可惜在 HTTP 系列時變數複雜很多,未能看見降落傘系統成功執行。

成員正在組裝火箭的回收系統(連接傘繩與啟動降落傘的線路等)。

成員正在組裝火箭的回收系統(連接傘繩與啟動降落傘的線路等)。

後記

從新竹到屏東發射地,車程足足要8小時。發射時剛好遇到鋒面,ARRC團隊在狂風與陰翳天空下工作了四天三夜。因為團隊還沒有固定的研究基地,所有東西得搬來搬去,ARRC團隊就這麼頂著狂風,從黎明到薄暮進行一連串工作:整地、建航架、火箭組裝、上架、測試系統、灌燃料、航電聯測等等,到最後發射火箭。

3月24日,清晨陽光終於透出雲隙,長6.3公尺、直徑40公分、重300公斤的單節火箭 HTTP-3S 藉1,000 公斤重的推力衝上天際。火箭最後落於太平洋海面,可惜海象差而無法出海打撈回收。此次發射任務結束後,還有下一階段更繁重的雙節式探空火箭HTTP-3 任務, 期待ARRC前瞻火箭中心一步步走向太空!

HTTP-3S 冒出噴流、正要發射上天的瞬間時刻。

HTTP-3S 冒出噴流、正要發射上天的瞬間時刻。

 

歷代HTTP火箭資訊

HTTP-1 HTTP-2α HTTP-2β HTTP-3S
長度 4.2公尺 4.5公尺 4.9公尺 6.3公尺
直徑 15公分 15公分 20公分 40公分
重量 55公斤 64.5公斤 97公斤 300公斤
發射時間 2010.9.16 2011.9.3、9.4 2013.9.23 2014.3.24
火箭構造特點 成大自製飛行電腦。通訊天線採環形天線。 壓力容器與尾翼採用碳纖維(在此之前,壓力容器採玻璃纖維+鋁合金內膽,其餘為金屬骨架+薄玻纖外殼,唯燃燒艙為純鋁合金。) 燃燒艙採不鏽鋼+碳纖結構。通訊天線採子彈型天線。
飛行結果 順利發射。 燃料槽的控制閥出問題,火箭停留原地無法發射。 火箭順利射上接近10公里高空,唯通訊狀況不佳。 順利發射。通訊資料最完整的一次。

 

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2015/1月號

2015.03.18補充資訊:
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火箭大叔前瞻計劃

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