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》

本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。

「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。

高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。

回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。

因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的，不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。

好論文，為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案，誰來負責出貨？

訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。

大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

• 文／林彥興（EASY天文地科團隊總編輯，現就讀清大天文所）

台灣時間 2022 年 11 月 2 日晚上九點四十一分，SpaceX 的「獵鷹重型 Falcon Heavy (FH)」火箭從濃霧繚繞的甘迺迪太空中心 LC-39A 發射台轟然升空。睽違三年，世人終於再次體會到世界最強火箭飛向天際，以及雙助推器同時著陸的震撼。

從獵鷹九號到獵鷹重型

相信有在關注太空時事的讀者們，對 SpaceX 的獵鷹九號火箭都不陌生。

獵鷹九號是 SpaceX 目前當仁不讓的發射主力，從低軌小衛星共乘、高軌頂配同步衛星乃至星際探測器都能一手包辦，而且還擁有能夠「重複使用第一節」這舉世唯一的絕技，在大幅降低成本的同時，也讓 SpaceX 能夠以超過一週一發的超高頻率發射火箭。從 2022 年初至週二當天，獵鷹九號已經發射 49 次，佔世界總發射次數的約 35%；論發射酬載總質量，世界所有其他火箭加起來還不到獵鷹九號的一半。^[1][2]

但獵鷹九號雖然優秀，面對少數特別重的酬載（也就是衛星、太空船等火箭攜帶的物體），或是要把酬載送到特別高能量的軌道時，仍然力有未逮。怎麼辦呢？基本概念很簡單：在獵鷹九號第一節兩側，再綁兩根第一節火箭，給火箭更多的燃料、更強的推力，就能把更重的酬載，送到更高更遠的地方，這就是「獵鷹重型 Falcon Heavy, FH」火箭。習慣上，人們將中間那根第一節稱為芯級（Core Stage），兩側的則稱為助推器（Side Booster）。根據任務需求，芯級和助推器可選擇不同的回收模式（陸上回收、海上回收、不回收）。在完全不回收的模式下，獵鷹重型擁有超過 60 公噸的最高理論運載力（LEO），比位列第二的三角洲四號重型火箭多了一倍不只。

風光亮相後？

獵鷹重型在 2018 年進行了一場轟轟烈烈的首飛。由於未經驗證的新火箭，一般不會有客戶願意買單承擔風險，因此火箭製造商通常會自費發射一些不太重要的東西，常稱為「假酬載 Dummy Payload」，向客戶展示火箭確實可以把你的衛星送入軌道。這個不太重要的假酬載，也給了工程師們搞怪的機會。

假酬載該選什麼好呢？
大老闆 Elon Musk：「啊，那就把我的 Tesla 跑車打上去吧。」

首飛隔年（2019）四月和六月，獵鷹重型分別進行了兩次任務（福衛七號就是其中之一噢）。但在這之後，獵鷹重型彷彿就進入了休假期，長達三年都沒有發射任務。為甚麼會這樣呢？這背後的原因有非常多面相可以討論，比如獵鷹九號就已經足以應付現在市場上絕大部分的發射需求、獵鷹重型發射的酬載開發與製造進度延宕等等。篇幅有限，在此就不展開細說。但總之，對太空迷們來說，這三年真的是格外漫長。獵鷹重型還是獵鷹重型，但 2022 的世界已經跟 2019 大不相同了。

機密任務 USSF-44

回到正題，本次 USSF-44 任務的目標，是為美國太空軍發射機密軍事衛星，前往地球同步軌道。

在上面的影片中，我們可以看到火箭發射的全過程。在轟轟烈烈地起飛後，火箭沿著預定軌道不斷加速。升空後約兩分三十秒，幾乎耗盡燃料兩根助推器率先脫離。而芯級在本次任務中則不進行回收，毫無保留地將所有燃料都用於運送衛星。約四分零三秒，芯級耗盡所有燃料並脫離，由第二節火箭負責繼續將衛星送入指定軌道。由於衛星的機密性，第二節直播就此切斷。直播聚焦於兩個助推器，如何自行返回陸上降落場，並最終成功降落。

本次任務的成功，不僅宣告著獵鷹重型的回歸，也是 SpaceX 第一次直接把衛星送進「地球同步軌道 GEO」，而非一般的「地球同步轉移軌道 GTO」（相關知識可以參考「衛星軌道萬花筒」系列圖文）。擁有將衛星直送 GEO 的能力，對火箭發射商來說意義相當重大。另一方面，雖然可憐的芯級被太空軍指定拋棄了，但兩側助推器的同框降落真的百看不厭。如果覺得這次發射霧太大景不好，不妨多看幾次 2018 首飛的剪輯吧！

還要再等三年嗎？獵鷹重型的未來

那麼，何時才能再次看到獵鷹重型轟然起飛呢？答案可能比你以為的要快。按現在的規畫，明年一月就應當要有兩場獵鷹重型的發射，分別是 ViaSat-3 與 USSF-67，都是 GEO 直送任務。但當然，這是火箭發射，再延宕個幾個月也是很正常的。

往更遠的看，未來五年獵鷹重型將發射的重要酬載包括：

• 大型行星探測器：靈神星（Psyche，左圖）任務與歐羅巴快船（Europa clipper，右圖）。

• 阿提密斯計畫：月球門戶建造（PPE 與 HALO 艙段）、VIPER 月球車、月球門戶補給（Dragon-XL）。

• 旗艦太空望遠鏡：羅曼太空望遠鏡（RST）。

• 太空軍機密衛星與同步通訊、氣象衛星若干。

相信這些名字對太空迷讀者來說都是如雷貫耳。可見獵鷹重型在美國近期多項重要太空計畫中，都是關鍵角色。接下來幾年，就讓我們拭目以待，一起見證獵鷹重型大展身手吧！

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。

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！」

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。」

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。

延伸閱讀：

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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】

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。

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。

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。

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。