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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》

親子天下_96
・2016/11/03 ・2125字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

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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極目遠眺的意義:天文學家為何追尋第一代星系

Tiger Hsiao_96
・2022/05/15 ・3764字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

近日,來自東京大學和倫敦大學學院的科學家 播金優一(Yuichi Harikane) 在天文物理期刊《The Astrophysical Journal》發表了一篇論文,宣稱他們可能找到目前最遠的星系(名為 HD-1,紅移值 z 約為13),打破了原本最遠(GNz-11,z 約為 11)的紀錄。

天文學家為什麼執著要找最遠的星系呢?
是單純為了破紀錄而破、抑或是蘊藏了什麼科學涵義?
天文學家們又是怎麼尋找、並且推論這些星系多遠的呢?

HD1 的影像。圖/Harikane et al.

時間推回到二十世紀初,當時的科學家們對宇宙大小到底是恆定或是膨脹爭論不休,其中,愛因斯坦(Albert Einstein)便是支持「宇宙穩恆態理論」的知名科學家。而支持膨脹宇宙的科學家們,一直到西元 1929 年,愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)透過測量其他星系,發現了宇宙在膨脹,才為膨脹宇宙(也就是日後人們所說的「大爆炸理論 The Big Bang Theory」)注入了一劑強心針。

接下來的各種證據,如宇宙微波背景輻射、宇宙中元素的比例等,讓天文學家們越來越確信宇宙的年齡是有限的,並開始利用紙筆與超級電腦,來推測最早、也就是第一代星系及恆星的樣貌,並嘗試用望遠鏡,來尋找早期星系是否和我們預測的相符。

科學家是如何知道距離的呢?

天文學家並沒有一把長達「一百多萬光年」的尺,那他們是如何尋找,並且知道這些早期星系距離我們有多遠呢?讓我們把兩個問題分開,先來探討在宇宙學尺度下的距離是怎麼得到的。

由於我們知道宇宙在膨脹,而這些遠離我們的星系所發出的光,也會因為類似都卜勒效應的影響,有著紅移的現象。而越遠的星系遠離我們的速度越快,它們紅移值也就越大;而從實驗室中,我們知道每種元素都會發出特定的譜線,藉由測量到星系光譜中特定譜線的實際位置,並與那條譜線所該在的位置比較,就能夠計算這些星系的紅移值了。

而結合紅移值和其他測量到的宇宙學參數(例如哈伯常數),就可以從星系的紅移值計算出物理上的距離,比如大家常會看到的「光年」。

星系的紅移(Redshift)與它跟地球的距離(Distance)可以互相換算。圖/林彥興

那既然這樣,我們只要測量所有星系的光譜,不就能知道最遠的星系是哪一個了嗎?可惜事情並沒有這麼簡單。

一來,很多星系(尤其是越遠的星系)都很黯淡,難以測量光譜,二來,測量光譜實際上是又貴又耗時的。所以,以「尋找」的為目的,做單一波段的搜索通常是比較實際的作法。但若是使用單一波段,不就代表我們沒有光譜,這樣不就又不知道距離了?

Well yes, but actually no。大家應該都聽過盲人摸象的故事,透過觀測越多的波段,我們就越能描繪出實際上的光譜,再根據現有的理論模型,我們就可以利用光譜擬合來推論出這些星系的紅移值。

那要如何鎖定這些早期的星系?

天文學家總不可能對每個能測量到的星系都做很多波段的觀測,並且大費周章的利用理論模型去擬合他們。很多特定的望遠鏡(例如 ALMA、JWST)是要寫觀測計畫書和其他天文學家競爭觀測時間的,總要給出一個有力的理由,才能讓你的觀測計劃脫穎而出。

但還沒有資料之前,天文學家要怎麼知道哪個星系是最遠的?這便產生了一個「沒有工作要怎麼有工作經驗」的迴圈。怎麼辦呢?天文學家就是要想辦法,在已經觀測的深空資料庫中去尋找最遠的星系。

哈伯太空望遠鏡拍攝的「哈伯極深空 Hubble Extreme Deep Field」影像。藉由比較圖片中不同紅移的星系的性質,天文學家就能重建出過去百億年來星系的形成與演化歷史。圖/NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

而要怎麼在龐大的資料庫中尋找遙遠的星系呢?讓我們再次簡單回顧歷史。量子物理在十九世紀末至二十世紀初逐漸開始發展時,瑞士物理學家約翰.巴耳末(Johann Balmer)研究激發態的氫原子所放出的光譜,發現在可見光波段,氫原子只會發射一系列特定波長的譜線。隨後美國物理學家西奧多.萊曼(Theodore Lyman)也接著發現,氫原子從受激態回到基態時,會放出一系列位於紫外線波段的譜線,這些特定的譜線也被稱為萊曼系。

氫原子的各個譜線家族,由上而下分別是位於紫外線的萊曼系,位於可見光的巴耳末系,以及位於紅外線的帕森系。圖/Szdori, OrangeDog

而用來尋找早期星系的第一種方法,也是最主要的搜索方法,就與萊曼系關係密切。天文學家發現,宇宙中有一種名為「萊曼斷裂星系(Lyman-break galaxies; LBGs)」的星系,這種星系的光譜有一個很明顯的特徵,便是在特定的波長以下就幾乎觀測不到,原因是波長更短的光(更高的能量)都被星際物質(Interstellar medium; ISM)和星系際物質(Intergalactic medium; IGM)的中性氫的萊曼線系給吸收了。

而萊曼線系中波長最短的譜線(常稱為萊曼極限)約在 91.2 奈米,最長的萊曼 α 譜線則約在 121.6 奈米。只要透過兩個波長足夠接近的波段去尋找「在長波長有觀測到、但在短波段沒觀測到的天體」(稱為 drop-out),就可以粗略的估計星系的紅移。

舉例來說,如果我們要找紅移值為 9 的萊曼斷裂星系,只需要稍微長於和短於 1216 奈米的兩個波段,看看有沒有星系出現在長波段的影像中,但在短波段的影像中卻沒有出現,就有可能是在紅移值為 9 的萊曼斷裂星系。如果要找越遠的萊曼斷裂星系,只需要換波長較長的波段即可。

近日打破紀錄的最遠星系,也是透過 H-band drop-out(在波長 H 波段沒有觀測到,而較長的波段有)所找出的。

光譜drop-out的例子。圖/Harikane et al (2022)

上圖為近日打破紀錄的最遠星系 HD1 的 H-band drop-out,可以看到長波段:4.5、3.6 微米以及 Ks 波段都有偵測到,但在 H 波段(以及更短波長)的影像就消失不見了。藍色的光譜 z 值為 13.3 的萊曼斷裂模型,灰色的光譜則為可能的低紅移汙染,z=3.9 的巴耳末斷裂模型。

當然,這只能幫助科學家初步的篩選,而且此種方法會受到一些其他非早期星系的汙染。

舉例來說,上文提到氫原子除了萊曼系以外,還有回到第一激發態的巴耳末系。若只是單純地透過 drop-out,因為巴耳末系本身的譜線就比萊曼系來得紅,所以也有可能找到的是紅移值較小的巴耳末斷裂;此外,非常紅且充滿塵埃的星系也會在光譜上出現類似「驟降」的特徵。

當然,更多波段以及光譜的觀測,都有助於釐清這些可能的汙染。而除了上述的方法以外,萊曼 α 發射體(Lyman-alpha emitters; LAEs)、伽瑪射線暴的宿主星系、重力透鏡效應等,也是尋找遙遠星系的重要方法哦!

那麼,找出這些早期星系有什麼科學意義?

現代宇宙學理論認為,宇宙在早期曾經經歷過兩次相變。第一次是宇宙從炙熱的游離態降溫回到中性的氣態,被稱為宇宙的復合時期(Epoch of Recombination),也是大家熟悉的宇宙微波背景的起源;第二次(也是最後一次)的相變,宇宙中的中性氫變成了游離化的氫離子,這個相變的過程被稱為再電離時期(Epoch of Reionization; EoR)。

而目前認為,第二次這個電離的原因,是第一代恆星和第一代星系所發出的強紫外線光,把周圍的中性氫游離成氫離子。藉由尋找越來越多的早期星系,我們就能透過這些早期星系來描繪宇宙再電離時期的歷史,而這又能夠進一步驗證現代宇宙學理論是否正確。不僅如此,研究這些早期星系,可以讓我們對於星系演化的歷史更往前推,或是研究早期星系的超大質量黑洞,是如何長到這麼大等等的議題。

未來展望

在 2021 年底順利升空的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope; JWST),其中一個主要的科學目標就是研究早期宇宙。如這篇文章一開始提到的「新的最遠的星系(HD-1)」,又如前一陣子發現的「最遠恆星 Earendel」,以及同一團隊的另一個紅移約 11 的星系,都在第一輪 JWST 的觀測計畫之中。

期待幾個月後 JWST 公布的第一批科學照片,能大幅革新我們對早期宇宙的認識。

參考資料(論文們)

延伸閱讀(科普文章)


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Tiger Hsiao_96
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現為清大天文所碩二學生,即將赴美於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。