五、四、三、二、一,火箭離開地球表面的發射倒數計時,工作人員要通過哪些考驗?

文/國家實驗研究院國家太空中心
整合測試組組長陳維鈞博士
2019.06.25下午11:00於美國佛羅里達州

離開地球表面,就只能靠火箭

想要離開地球表面,通常是靠著作用力與反作用力定律的方法來實現,最簡單就是腳用力推地面跳起來,人就可以短暫離開地球表面。如果能持續不斷對外出力,靠著反作用力而持續上升,這就是火箭

火箭因為燃料與助燃劑的燃燒所產生大量的廢氣由底部噴嘴高速噴出,強力的反作用力不斷的推升火箭,到預定的太空軌道運行或者到達其他星球。因此,執行太空任務的人造衛星,或是太空船都需要搭乘運載火箭到達目的地。換言之,人造衛星與太空船就是火箭的乘客,或稱之為酬載

圖/搭載六枚福衛七號的獵鷹重型火箭在美國時間6月25日上午2點30分發射升空。(蔡欣憲拍攝)

搭載六枚福衛七號的獵鷹重型火箭在美國時間6月25日上午2點30分發射升空。攝影/蔡欣憲

倒數計時好焦慮!這些是火箭的發射程序

火箭要離開時,不能像汽車一樣說走就走,要完成既定的程序,才能點火啟動火箭發射升空。因為火箭一旦點火升空,就不能回頭或是說停就停。火箭發射前,最耳熟能詳是倒數以秒計時 10, 9, 8, 7……, 3, 2, 1, 發射。

這倒數計時充分描寫了預備發射前焦慮的心情,典故其實來自於 1929 年由 Fritz Lang 執導的德國科幻電影「月球上的女人」(Frau imMond),想要增加發射時的戲劇張力而設計的情節。後來這一個情節引起火箭專家的興趣,認為十分科學,簡單、準確且清楚表達了離發射的時間逐漸減少,可以讓工作人員集中注意力,依照事先設定的時間表執行倒數程序。所以這個發射倒數程序就被廣泛的應用了。例如:發射倒數第 10 天就使用 L-10d,發射前 1 小時 30 分就使用 T-1h30m。

發射倒數的程序通常有那些呢?主要可分成以下幾個主要步驟:

  1. 點名:逐一清點所有參與發射倒數程序的工作人員是否就位準備,通常包括有:任務主持人、任務指揮官、發射指揮官、火箭發射程序控制人員、衛星計畫主持人、衛星指揮官、衛星控制人員、發射場操作安全指揮官、天氣預報分析人員、火箭與酬載地面控制站人員等等。
  2. 確認火箭狀況:確認火箭發射控制中心可以接收訊號與指令控制火箭通訊、推進、燃料充填等系統。
  3. 確認衛星狀況:確認衛星發射控制中心可以接收衛星訊號與指令控制衛星,同時進行衛星充電,確保發射前衛星電池滿充。
  4. 確認天氣狀況:持續監視天氣狀況是否符合發射條件
  5. 衛星停止充電:通常在火箭填充燃料之前或啟動自動發射程序之前會停止對衛星通電,並確認衛星是否達可發射狀態。
  6. 確認衛星地面控制站狀況:持續確認火箭升空時訊號接收站與衛星地面接收控制站是否準備就緒。
  7. 確認發射場狀況:確認發射場安全維持是否達預定計畫規範。
  8. 火箭開始填充燃料:使用液態燃料的火箭,在確認以上條件達發射準備之後,開始充填燃料。例如:SpaceX 獵鷹系列火箭填充的燃料是液態氧與高純度煤油。
  9. 啟動自動程序:確認火箭燃料填充完成,再次確認所有發射準備都符合預期之後,通常在發射前一分鐘啟動自動發射程序。

達到發射準備時,發射指揮官會依序呼叫各單位,回應是否完成程序 (GO/NO-GO),各單位達發射準備時就會回答「GO」,全部單位都回答 GO 時,火箭就會啟動自動發射程序

圖/美國甘迺迪太空中心展示阿波羅登月任務的農神五號發射控制室。(陳維鈞拍攝)

美國甘迺迪太空中心展示阿波羅登月任務的農神五號發射控制室。攝影/陳維鈞拍攝

任務窗口與備用發射日,火箭發射的障礙應對方案

火箭發射程序緊湊而且務實,但是如果發生未預期的狀況,怎麼辦?通常任務的發射時間並非一個固定時間,根據任務需求會設定發射窗口。例如:台灣最近發射的福衛七號的發射窗口為 4 個小時;而飛往太空站的運補火箭獵鷹九號因為要登上在軌道快速運行的太空站,所以發射窗口就只有 1 秒。

圖/獵鷹九號發射CRS-17國際太空站運補Dragon太空船,圖中明顯可看出第一節火箭脫離飛回發射場,以及第二節火箭點火。(陳維鈞拍攝)

獵鷹九號發射 CRS-17 國際太空站運補 Dragon 太空船,圖中明顯可看出第一節火箭脫離飛回發射場,以及第二節火箭點火。攝影/陳維鈞拍攝

發射窗口的設定可以給在進行發射倒數程序有時間排除障礙,障礙可能來自火箭、衛星或地面站的問題,然而最大的變因是天候狀況,打雷與強風都可能延遲或取消當天發射。所以火箭發射除了有發射窗口之外,通常也會設定第二天為備用發射日。

五月份獵鷹九號執行了兩項發射任務,分別是 CRS-17 太空站運補任務預計在 5 月 3 日發射,與 SpaceX 自家衛星 Starlink 發射預計在 5 月 16 日發射。但是都因為天候因素,分別延遲到 5 月 4 日與 5 月 23 日發射。

發射前的演練:除了執行程序還考臨場狀況題

為了讓參與火箭發射倒數的所有單位都能熟悉發射倒數程序的執行,通常都會在事前安排演練。以送六枚福衛七號到太空軌道的 STP-2 (Space Test Program-2) 發射任務為例,在發射前總共舉行了四次演練,分別是:第一次整合團隊練習 (Integrated Crew Excise #1, ICE#1)、第二次整合團隊練習 (ICE#2)、執行靜態點火測試 (Static Fire Test) 前的倒數程序、以及任務裝檢演習 (Mission Dress Rehearsal)。

除了依真正的時序演練發射倒數程序步驟之外,還會有考官出各種狀況題,考驗各單位緊急應變能力,考題稱之為綠卡 (Green Card)。包括計畫主持人、衛星指揮官、以及電機總工程師的福衛七號發射團隊總共接到了以下四種狀況題。

  1. 衛星充電異常(第一次):衛星發射控制室出現了無法對火箭上的衛星充電,發射指揮官詢問目前衛星電池電壓是否達發射條件。由於充電控制器異常無法讀取電壓,但是發射台底下的充電控制器仍可以由監視器看到衛星電池電壓,而且電壓達發射條件,因此可以繼續進行發射程序。
  2. 衛星充電異常(第二次):很重要,所以考兩次,這一次是原因很簡單,就是internet的插頭掉了,重新插回就可以解決問題。
  3. 台灣衛星地面控制站失聯:對講機的頻道、控制室的電話與手機都不通(心理的OS:這是甚麼情形?)。經檢查之後,發現控制室的網路是通的,所以可以用 line建立語音通訊解決問題。
  4. 人員失去執行能力:這一題很特別,只見演練時計畫主持人與電機總工程師接到 Green Card 之後,紛紛離開位置。原來考題設定是計畫主持人身體不舒服,身為丈夫的電機總工程師必須照顧她(真的是計畫主持人的丈夫),所以都不能執行任務。身為衛星指揮官的我,得馬上找代理電機總工程師到現場執行任務,並代理計畫主持人執行發射倒數任務。本題考驗如果現場有人不能執行任務,則代理人均有能力完成倒數任務。
圖/搭載六枚福衛七號的獵鷹重型火箭在美國佛州甘迺迪太空中心SLC-39A發射台準備就緒。(陳維鈞拍攝)

搭載六枚福衛七號的獵鷹重型火箭在美國佛州甘迺迪太空中心SLC-39A發射台準備就緒。攝影/陳維鈞

多次練習,就只為了自助天助發射順利

發射倒數程序需要步步嚴謹,事前需要經歷多次演練,並且考驗緊急應變能力。充分的演練讓參與發射的所有單位熟練每一個程序步驟;應變的考驗可以讓每一位成員臨危不亂做出正確判斷排除障礙;才能有自助人助天也助的發射保證。

圖/福衛五號在2017年8月成功發射升空後,衛星發射團隊在衛星發射控制中心合影。(國家太空中心提供)

福衛五號在2017年8月成功發射升空後,衛星發射團隊在衛星發射控制中心合影。圖/國家太空中心提供


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