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【紀錄】M.I.C. XXVIII:見解

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文/劉珈均

不少太空任務在2014年取得重大進展,其中以登陸彗星的羅賽塔任務為最,中央大學天文所教授葉永烜參與羅賽塔任務,負責分析彗星表面與組成;交大機械系教授吳宗信也曾為羅賽塔任務作模擬工作,另一方面,運載探測船進入太空的火箭是不可或缺的動力,吳宗信帶領的台灣跨校自製火箭團隊ARRC,師生三四十人自2008年投入自製火箭研發。這場MIC講座邀來葉永烜與吳宗信兩位講者分享台灣參與太空任務的歷程故事。

「混合式火箭」是什麼樣?

講者:吳宗信|交通大學機械系教授、ARRC研究中心主任

我們絕對不放棄,要離開地球就對了!

為什麼我們需要火箭?現在所有的衛星如GPS、太空任務的探測船,都得靠火箭運載入軌,入軌速度大約每秒七至八公里,能量非常大,只有化學火箭(chemical rocket)足以辦到。

「我們這團隊從2008的Sugar Rocket小火箭開始,也才六年而已,我自己也沒想過六年後會做這麼大,這都學生害的!」吳宗信說。

六年前,吳宗信在交大開課,製作Sugar Rocket(蔗糖火箭),以山梨糖醇和硝酸鉀為原料,再加一點氧化鐵,其熔點大概攝氏95度,加熱至120度成熔熔狀後灌成圓筒就成了。這些材料相當容易取得,家裡的糖也可以作,但那熔點近兩百度,要加熱到如此高溫較危險。「學生用鋸子鋸(那塊固態燃料)、丟牆壁都沒事。而且大概一星期就可以作一支小火箭!」吳宗信開玩笑說,作小火箭也讓學生練膽,「我們實驗室點火超過一百次,我從來不敢去點。」

最初他們在系館旁的草皮作實驗,後來蔗糖火箭漸漸穩定,團隊便移師到濕地試射,高度大概射了一公里高,演進到第七代蔗糖火箭,火箭雖小但五臟俱全,配有GPS、降落傘、罐頭衛星、飛航電腦等等,也測試大火箭的次系統。

大約四年前,團隊開始作混合式燃料的大火箭,命名為「HTTP」,名字由來為參與學校所在地的新竹(Hsinchu)、台北(Taipei)、台南(Tainan)、屏東(Pingtung)英文縮寫,同時隱含著,想像與可能性如網際網路般無遠弗屆!團隊正在研發雙節火箭,預計2015年四五月發射,理想情況下,火箭會在高度十二三公里處脫節,在最高點一百公里處將鼻錐的酬載彈出作電漿量測,再隨降落傘落下。

吳宗信總結火箭計畫一路走來的軌跡,五六年以來參與的人大約超過一百人,「我們最驕傲的是建立混合式火箭的系統設計、製造跟測試能力。」ARRC掌握的各項核心技術在國際的燃料式火箭而言也已相當先進,「未來展望就是,我們絕對不放棄,要離開地球就對了!」

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吳宗信教授

如何知道火箭厲不厲害

火箭推進技術可分為液態燃料、固態燃料、混合燃料、電式與核能推進器。要評估任何類型的火箭推力性能,就要看火箭效率比較參數「比衝」(Specific Impulse, ISP),其為推力除以每秒推進器消耗的質量流率(mass flow,包含燃料與氧化劑)。

吳宗信解釋:「假設一秒鐘燒三公斤,產生推力為750公斤,750除以3,比衝為250秒。」ISP值越高,表示火箭要達到同樣高度,需要攜帶的燃料就越少,火箭的燃料利用效率越好。

基於時間有限,吳宗信解釋前三種推進器,液態燃料火箭的性能最好(ISP350~400秒),可控制其燃料流量,連帶可控制推力大小,利於控制火箭飛行、入射軌道,NASA阿波羅計畫的農神五號火箭即為一例。液態火箭常以液態氧為氧化劑,但液態氧的低溫可能導致流動困難或管路結冰,必須加上升溫設計等,需要複雜且高品質的燃燒腔體與管路設計工程,「台灣也還沒有這個技術。」而固態燃料火箭設計最簡單:「沒有什麼管路,就像小時候玩的沖天炮一樣。」優點為可長時間存放、穩定性高、製作成本低(但較危險,要花許多人事管制與安全測試費用)。缺點是點火後無法控制推力、推力性能差(ISP240~280秒),部分燃料配方燃燒後會產生對人體有害的鹽酸氣,飛彈與太空梭助推器多為固態燃料。

ARRC團隊的火箭採用混合式燃料,推進效率ISP約250~300秒,它具有液態式的優點而設計較簡單。ARRC以俗稱「笑氣」的一氧化二氮作為氧化劑,燃料則是汽車輪胎的原料「人造橡膠HTPB」或PE,氧化劑通過控制閥注入燃燒室,與燃料混合後燃燒產生高溫與高壓,作為火箭動力來源,而控制閥門的大小就連帶控制了流量與推力。固態與液態燃料推進技術已相當成熟,近十年混合式燃料漸受關注,維珍銀河(Virgin Galactic)公司的太空飛機便運用混合式燃料;丹麥專職研發火箭的非營利組織「哥本哈根亞軌道(Copenhagen Suborbital)」有個更大膽的計畫,打算以簡易型的火箭載人上天,亦採用混合式燃料。

「我們有個祕密武器正在申請美國專利!」團隊研發的「雙渦旋混合式火箭引擎」不僅縮短推進器長度,也讓平均推進效率達到280秒。


Rosetta計畫

講者:葉永烜|中央大學天文研究所與太空科學研究所教授

時間先倒轉回八零年代初期,當時歐洲太空總署(ESA)只作過人造衛星,還沒有離開過地球,1980年代ESA有個相當成功的計畫「喬托號任務(Giotto Mission)」,探測器於1986年哈雷彗星回歸時,從700公里遠處拍攝哈雷彗星,但因為軌道運行的限制,喬托號與哈雷彗星「相聚」只有短短一兩個小時的時間可取得資料,無法觀測彗星接近太陽時變化全貌,儀器也很粗糙。

葉永烜說:「科學就是這樣,以為解決一個問題,反而產生了十個以前沒想過的問題。」科學家想著,計畫可以如何延續呢?

有一位有遠見的科學家Johannes Geiss,在喬托號發射前就想著要促使NASA和ESA合作到另一個彗星去,到彗星上打包一塊石頭回地球,此構想在1987年提出。原本ESA和NASA計畫以兩艘Mariner Mark II太空船分別到彗星及土星去,計畫分為兩個小組,一個研究到土星,一個研究到彗星,後來NASA經費不夠,決定退出羅賽塔計畫,專心前往土星(即為卡西尼計畫)。

ESA為了延續到彗星去的任務,調整了任務架構,以太陽能板取代原本(美國提供的)核能發電系統,但離太陽過遠,不足以取得足夠能量,於是便有了「冬眠設計」,讓探測器有近三年冬眠時間節省電力;原本的任務經費有一大部分投入「把標本帶回來」,因彗星上溫度低,探測器也要有低溫的設備以保存標本,技術難度也高,為節省經費,便將任務改為「單程旅行」,菲萊的三隻腳分別作三種不同實驗,就地分析資料傳回地球;還有一個難題,彗星的表面重力非常小,團隊便設計了像標槍的結構,讓菲萊「釘」住彗星。

羅賽塔在2004年發射,歷經十年旅程至2014才抵達,有人會感嘆十年漫漫光陰,而葉永烜說:「把生命十幾、二十年放到上面去,我覺得這非常值得。」人類過去幾萬年的文明有多少人口、每個人又有多少十年?少數的幾千幾百人用他們十年的時光,為人類留下創造歷史的成果,這很值得。

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葉永烜教授講解探測器與彗星的軌跡。

因為ESA延期發射時間,錯過原本的彗星,任務頓失目標,之後兩三年的時間科學家都在尋找新目標,後來兩位俄國科學家發現67P彗星,恰好可作為羅賽塔任務的目標,「這運氣很好!因為那顆彗星在天文影像的邊邊上,差一點就找不到。」

有個可愛的小花絮,羅賽塔要從冬眠醒來的時候,有個宣傳活動號召大家一起朝天空的某方向叫著「醒來!醒來!」,將羅賽塔喚醒(台下大笑:「這不科學啊!」)。NASA雖然缺席羅賽塔計畫,但在羅賽塔任務進行的這段空檔也進行了三個成功的彗星計畫。

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67P 彗星的模型

2014年8月,羅賽塔靠近67P約100公里距離,羅賽塔號依十年前訂下的行程表,從各角度拍下67P彗星的樣子。67P形狀看起來像兩塊石頭黏在一起,有人猜測它是一塊大石頭被碰撞出缺口,葉永烜則傾向推測它原本就是兩塊東西碰撞在一起,中間飄進物質「縫合」。

11月,羅賽塔來到10公里距離繞著它轉,尋找平坦的地方投放登陸器菲萊,「這是複雜的太空動力學,因為探測器繞著它,底下彗星也在自轉。」最理想的情況是,菲萊平穩地登陸彗星,然後追蹤它三個月。沒想到登陸時抓地的標槍沒彈出來,菲萊反彈了三次,偏離預定地點,「原本工程師已準備好要操作上面儀器,卻發現它還在轉!」ESA向大眾公開一切過程,葉永烜笑著說,其實ESA有作最壞的準備,事先想好萬一登陸失敗要如何跟大眾說明:「我們有80%的成功!」

葉永烜說,彗星探測任務是為了探究太陽系起源為何?彗星的形成與來源又是什麼?形成生命要有許多元素和物質,地球上的有機物或水,是否就是地球形成初期時,彗星碰撞帶來的?

葉永烜參與了計畫許久,看過許多成功與失敗,也累積許多感觸,他提到,今年是一戰100周年,這與羅賽塔任務成功時各國科學家抱在一起的畫面是多強大的對比!ESA是歐洲跨國合作的象徵,「大家把心力用在追求知識上,是多好的事情!我想這是羅賽塔和菲萊要告訴我們的事情。」


【關於 M. I. C.】

M. I. C.(Micro Idea Collider,M. I. C.)微型點子對撞機是 PanSci 定期舉辦的小規模科學聚會,約一個月一場,為便於交流討論,人數設定於三十人上下,活動的主要形式是找兩位來自不同領域的講者,針對同一主題,各自在 30 分鐘內與大家分享相關科學知識或有趣的想法,並讓所有人都能參與討論,加速對撞激盪出好點子。請務必認知:參加者被(推入火坑)邀請成為之後場次講者的機率非常的高!

關於作者

劉珈均

PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。