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ARRC試射小火箭 「80%成功!」

DSC_5786(by游允赫)

APPL-9β發射瞬間。圖/游允赫提供。

交大、北科大、成大、屏科大四校組成的自製火箭研究團隊「前瞻火箭研究中心」(Advanced Rocket Research Center,以下簡稱ARRC)18日下午於香山濕地試射雙節火箭「APPL-9β」,主要為接下來的大型探空火箭「HTTP-3」測試脫節與空中點火功能。火箭飛向天際並完整回收,只可惜火箭未如預期中脫節。ARRC主任、交大機械系教授吳宗信形容這是「80%的成功」,待團隊討論再決定是否再次飛試。(文末新增後記,ARRC於2016年1月底再次飛試,終於脫節成功!)

目前釋出的短版官方影片,此次飛行最大高度約360公尺:

發射現場

火箭會逆風飛行,風向和風速是判斷發射點要離岸多遠、火箭發射角度的重要因素,那天下午天氣陰涼,風向大致由外海往岸上吹,但風不大,算是個好天氣。採蚵車載著火箭,交大成員穿著雨鞋、扛著發射架,走入遍佈蚵殼、小螃蟹的泥濘濕地到離岸約一公里處。

發射前的作業流程繁瑣而嚴謹,現場總指揮賴冠融依照近40道程序的SOP發布指令,每道指令都有對應的負責成員,完成一個指令後回報再進行下一個。成員們為火箭上架、接上「臍帶」(連接火箭與發射架,接收點火指令的電線)、灌氣、確認兩個地面站接收訊號的狀態、為航電上電等,整套流程耗時約1.5小時。

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成員正在為航電系統接上電源。攝影/劉珈均。

倒數一分鐘

全員撤退到發射架後方幾十公尺處,對講機關閉,開始倒數一分鐘。就在這時,吳宗信眼尖看到濕地遠處有一個人正往發射架點方向靠近!賴冠融用大聲公呼叫負責點火的成員魏世昕緊急暫停,並對那位遠方的老伯大聲喊叫:「阿伯!不要移動!我們正在發射火箭!」「他聽嘸啦!講台語啦!」「嘜振動(tín-tāng,閩南語移動之意)!」一陣忙亂後,那位老伯會意過來,小插曲有驚無險的落幕,火箭也恢復倒數。

火箭冒出白煙,隨即飛嘯而上沒入雲端,火箭上天後的飛行姿態、航電是否正常運作、資料傳輸狀況等才是真正的重點。大家仰望天空,老師們叨念著火箭似乎沒脫節,接著三頂降落傘帶著火箭緩速從空中落下,現場氛圍又轉為興奮,「第一次看到這麼漂亮的降落傘!」吳宗信笑著說:「這是80%成功!」

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火箭衝向天際。圖/游允赫提供。

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降落傘成功全開,帶著火箭緩速落下。攝影/劉珈均。

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幾個成員辛苦跋涉過濕地,把火箭撿回來。攝影/劉珈均。

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ARRC撿回火箭後在一旁的竹筏休息,一邊推敲第一節沒脫節的原因,一邊等採蚵車前來運載火箭。攝影/劉珈均。

始作俑者是兩顆螺栓

APPL-9β主要任務為測試脫節與空中點火的設計,這也是團隊接下來的大型雙節火箭HTTP-3的重點。成員魏世昕和賴冠融解釋,火箭的加速度規會偵測火箭由高速至減速的重力變化(類似搭電梯上升時,電梯停止前一刻的感受),當第一節推力漸失,便會發指令讓火箭脫節,第二節偵測到脫節訊號後就會啟動點火。

成員們將火箭搬回交大後還顧不得休息,隨即在實驗室拆解火箭,尋找脫節失敗的原因。扣連第一節和第二節火箭的金屬環有兩顆「爆炸螺栓」,螺栓內部空腔含有火藥和點火裝置,點燃火藥、螺栓斷開便能使固定的物體分離。

APPL-9β有發出點火指令、也引燃了螺栓中的黑色火藥,但螺栓只微微鼓起,沒有斷開,導致火箭沒有脫節,而基於安全,團隊設計第二節火箭沒偵測到脫節訊號便不會點火、開閥。「地面測試時明明都OK!現在居然兩根同時出問題。」

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藍色框線處為預設在空中脫離的第一節火箭。攝影/劉珈均。

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這兩顆爆炸螺栓是火箭沒脫節的始作俑者。攝影/劉珈均。

過去十幾架APPL火箭只有APPL-2是雙節設計,但APPL-2設計簡單:一二節皆為固態火箭;第二節往內縮套入第一節再固定;點火時間事先分別設定好,時間到了自動點火。魏世昕說:「不過當時第二節太慢點火了,火箭飛得很水平,可能直接飛到海上了吧。」

APPL-9β小檔案

APPL-9β為雙節火箭,直徑15公分,2.7公尺長,重約23公斤。火箭第一節為固態糖燃料,第二節為混合式推進器(以N2O一氧化二氮作為氧化劑,塑膠PE為燃料)。火箭搭載中央大學張起維老師團隊製作的罐頭衛星,量測高度與溫度、衛星電力續航,蒐集日後設計將衛星彈射出火箭的資料。

火箭外殼是以PLA材料3D列印而成,需要較大強度的地方(如鼻錐)結合玻璃纖維。成員周子豪說,3D列印好處是可以節省「奇形怪狀」切割的加工時間,「孔洞也可以直接印出來,裁切玻纖比較麻煩。」

APPL-9β前身為一月在香山濕地試射的APPL-9,當時火箭脫離發射架前就迸裂分解。賴冠融說,上次「失事」原因推估為燃料配方與結構設計沒配合好,他們換過糖與硝酸鉀的來源,但延續舊參數設計APPL-9,新配方燃燒速率較快,高溫又助長整個反應,壓力容器承受不住就爆開了。

後記:

ARRC於2016年1月31日試射2.7公尺長的「APPL-9C」,火箭順利脫節,飛試相當成功。ARRC正如火如荼準備大型雙節火箭試射,APPL-9這系列小火箭主要就為了測試日後大火箭會用到的系統,特別是如何脫節──火箭一邊飛行,一邊拋棄不再必要的部分以減輕重量,讓火箭飛得更高。這相當考驗團隊技術,ARRC足足用了三支小火箭,脫節設計才成功運作(第一支爆炸、第二支脫節不成)。

 

回顧第一支APPL-9縮時與發射影片:

APPL火箭名字取自交大成員所屬的機械所實驗室縮寫,過去APPL系列以糖精和硝酸鉀,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火箭主要由交大成員製作,目的不在於飛高(設計的飛行高度不超過一公里),而是作為日後大型火箭HTTP設備與次系統的事前測試,算是大火箭的小型測試版。

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關於作者

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。