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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

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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!

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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。

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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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睽違三年,重磅回歸:獵鷹重型的現在與未來
EASY天文地科小站_96
・2022/11/04 ・2560字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 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。

USSF-44 任務中獵鷹重型火箭的升空與著陸。圖/SpaceX

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。

獵鷹九號火箭。圖/SpaceX

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。

發射台上的獵鷹重型火箭,可以清楚的看到並排的芯級與助推器。圖/SpaceX

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。

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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。」

Falcon Heavy 首飛官方剪輯

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。

獵鷹九號(與其子型號)與獵鷹重型發射次數統計,可以看到比起馬不停蹄的獵鷹九號,獵鷹重型的發射是多麼稀少。來源:維基百科,2022.11.04 數據。

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。

發射直播回顧。

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。

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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)。
圖/NASA/JPL-Caltech/Arizona State Univ./Space Systems Loral/Peter Rubin|N
  • 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)。
月球門戶太空站(左下)與 Dragon XL 無人貨船。圖/NASA
南希.葛莉絲.羅曼太空望遠鏡 Nancy Grace Roman Space Telescope。圖/NASA (WFIRST Project and Dominic Benford)
  • 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!

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EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事

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ARRC試射小火箭 「80%成功!」
劉珈均
・2015/04/20 ・2504字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

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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。

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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。

IMG_1906
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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DSC_5787(by游允赫)
火箭衝向天際。圖/游允赫提供。

IMG_2010
降落傘成功全開,帶著火箭緩速落下。攝影/劉珈均。

IMG_2021
幾個成員辛苦跋涉過濕地,把火箭撿回來。攝影/劉珈均。

IMG_2027
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。

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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。」

first stage
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。」

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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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延伸閱讀:

劉珈均
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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。

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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》
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・2016/11/03 ・2125字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

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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。

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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
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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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【紀錄】M.I.C. XXVIII:見解
劉珈均
・2015/02/08 ・3642字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

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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。

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「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。

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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。

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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

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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。

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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?

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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!

劉珈均
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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。

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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。

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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

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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。

文章難易度
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