0

0
1

文字

分享

0
0
1

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】

馥林文化_96
・2014/12/30 ・6581字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

文/劉珈均 攝影/劉珈均、邵意翔

協助取材/ARRC團隊、美商國家儀器(NI)

前言

本刊2014 年9 月號中詳盡記載了前瞻火箭研究中心(ARRC) 的團隊構成與發展過程,本回「火箭篇」更進一步,詳細介紹今年3 月份成功發射的HTTP-3S !

火箭問世尚不足一世紀,已成為人類執行大氣研究、太空探索任務不可或缺的配備。火箭由上而下大致分為鼻錐、航電系統、壓力容器(燃料儲槽)與推進段,任務成敗端視各個次系統是否順利分工合作。HTTP-3S 為國內學界研發至今最大型的混合式探空火箭,此次發射目的主要為了測試各項系統於高速飛行時的功能,同時做為接下來研發雙節式大型探空火箭的演練。在火箭成功衝向天際這短短幾分鐘的背後,是數不清的摸索、學習、開會討論、模擬、修改、測試、再修改,是跨校團隊無盡心血與經驗累積的成果。在本篇中,筆者將一步步帶您解析HTTP-3S 火箭如何組成,同時介紹ARRC 火箭的演變。

HTTP-3S 結構圖
HTTP-3S 火箭結構圖(ARRC 小編特別繪製)。

探測任務:鼻錐與酬載

火箭前端尖頭部分稱為鼻錐,是放置酬載(payload,也就是執行探測任務的設備或實驗儀器)的地方。後來加入 ARRC 的中央大學團隊專司大氣研究,在HTTP-3S火箭上多增加了一個酬載。

中央大學太空科學研究所助理教授張起維率領學生自製「罐頭衛星(CanSat)」,從去年底開始與ARRC合作,所開發的「阿亮一號」曾隨交大的小型火箭 APPL-7II 升空測試。此次的「阿亮二號」負責測試高空訊號收發,內建的 GPS 也用來協助火箭回收作業。罐頭衛星外型迷你,在27公分高、直徑21公分的挖空保麗龍圓柱中,放置了一個裝著Arduino控制器的可樂罐,防止與火箭內部其他儀器相互干擾,另有幾組天線放置在可樂罐旁邊。中央大學成員邱奕中說,以後會試著把衛星射出火箭,探測平流層以上的高空資訊。

交大成員將中央大學的罐頭衛星「阿亮二號」裝入火箭鼻錐。衛星可測試高空訊號收發,內建的GPS 也幫助火箭回收作業。
交大成員將中央大學的罐頭衛星「阿亮二號」裝入火箭鼻錐。衛星可測試高空訊號收發,內建的GPS 也幫助火箭回收作業。

控制核心:航電系統

航電系統是控制火箭飛行的「重點部位」,把物品(酬載)載上天的過程是否順利、有沒有偏移,是航電系統關注的目標。航電系統是由成功大學工程科學系副教授何明字帶領的團隊負責,並由交大的陳宗麟老師協助感測器與火箭系統整合。

成大實驗室成員高碩聰就讀博一時加入團隊,自HTTP-1 時期便開始參與。他說,目前航電系統的任務很簡單:回報火箭飛行高度、何時該開啟降落傘、關閉閥門等。航電控制的理想情況是讓火箭能依不同任務執行不同的飛行樣態,但目前還沒有達到該航控目標,不清楚火箭發射後會怎麼飛,所以模擬必須精準,否則無法回收火箭。

火箭的航電系統大多是將一整臺電腦(PC或工業電腦)放在火箭上,為避免指令錯誤或電腦當機,常會多放幾臺以比對各自指令、聯合執行,或做為備份。不過HTTP-3S不需要用到PC,而是採用單晶片,將程式直接寫在晶片裡,這種簡單的控制器不需灌入作業系統,高碩聰說:「PC的作業系統一定是裝別人的核心,能掌控的東西十分有限,除錯時變得很複雜。」單晶片的體積不但小很多,容易回溯出錯的地方,也可以輕易增加備份或更新,因為架構全利用一個個「node」組成。node是指一個節點,可以把它想成一個電腦或控制器,用在飛行電腦或控制一個閥門,若火箭變成兩節、三節,需要兩三個閥門依序開關,此時再增加一個node即可。目前航電系統分成三層功能各異的次要系統,一個node控制火箭飛行、一個控制閥門開啟、一個專門蒐集資料。

剛開始設計時,為了放進兩套系統,使用了兩塊控制晶片,但晶片之間的溝通線路複雜又容易出錯,到第二版的火箭才換成CANbus(控制器區域網路,為一種通訊協定,允許網路上微控制器和裝置不經由主機控制直接通訊),之後便維持此架構,並依任務需求把架構圖擴大。雙節火箭至少會用到四個node。

火箭上有許多感測器,如經度、緯度、高度、氣壓,以及一些偵測火箭飛行對結構影響、火箭控制會用到的感測器,資料量龐大。在PC中有軟體可處理,但只用node寫程式會很麻煩,團隊便直接使用NI的LabVIEW系統,其讀取感測器資料後,經運算整合再將最重要的資訊傳給團隊。

通訊系統常影響航電,天線功率約7瓦,因為功率大,容易影響航電,負責通訊的北科大團隊與成大團隊常常得一起密集測試,高碩聰回想以前研發的日子,兩團隊在各自的實驗室測試再如何順暢,整合時一定會發生問題!火箭結構甚至也影響航電,原本的火箭外殼是玻璃纖維,HTTP-2β任務時,火箭一切測試都完成後,將火箭纏繞上碳纖維,讓外殼更堅固。殊不知電一開,航電系統就熄了,原以為當機而已,結果整個航電系統燒毀,後來查出原因是碳纖維會導電,電流短路導回航電系統,將航電破壞殆盡,高碩聰說:「為了這問題我們又搞了一個月吧,當時已經做得非常有信心,覺得OK了,結果碳纖維套上去燒掉,聽到又要拆都快哭了!」有了那次經驗,航電段的外殼便維持玻璃纖維。

高碩聰表示:「航電系統目前負責的工作就是讓火箭能順利的飛上去,還沒有做到飛行時的控制,希望之後能完成這個目標。」未來HTTP的航電系統會分為兩大部分,一個負責各感測器的資料處理,另一個則是控制單元。火箭飛行的時候,飛航電腦會同時檢測路徑是否符合軌道,不符合預定軌跡便會以控制噴嘴等設備即時修正,做到真正的控制。

成員將鼻錐與航電系統段相接。
成員將鼻錐與航電系統段相接。

支撐火箭的靠山:發射架

IMG_4169 (2)
兩個屏科大成員爬上六公尺高的發射架,檢查安全設備與定位裝置。

發射架是發射火箭時要最先搞定的工作。屏科大學生們比其他團隊早了四天到試射地點,焊接、組裝樣樣來。現場總有許多突發狀況,為避免強風或其他因素導致發射架升起未達指定位置,兩個學生扣上安全索,爬上六公尺高的發射架,檢查安全設備與定位裝置。

回顧最初的HTTP-1火箭,因尺寸小,發射架升起只靠人工舉起;但隨著火箭不斷的改良,HTTP-3S火箭比前兩代火箭重了三倍,得重新量身打造發射架。

HTTP-3S 發射架的結構剛性與強度是依照預計明年發射的HTTP-3雙節火箭而建造,主導設計的是屏東科技大學團隊成員陳庭維和黃詮峻。屏科大團隊原負責火箭結構、壓力容器等,HTTP-3S 任務首次將發射架也交給他們處理。

一開始陳庭維在網路上搜尋各式各樣的發射架資料與圖片,先模仿再修改。最後設計了三腳支撐式的發射架,中間升起部分採用油壓機構升降,概念設計完,便建立電腦圖檔、分析機構動作與強度等一連串測試,結果相當順利,也符合想像的作動方式。挑戰來自最終的實作。

有位李總經理自HTTP-1任務起便熱心幫忙,陳庭維帶著工程圖與他討論,李總指出許多錯誤與實務經驗,陳庭維北上前往李總公司討論發射架設計問題的次數多到記不清,繪製的工程圖超過500張,陳庭維轉述李總反應:「你們老師敢把這麼大的案子交給一個學生,真的很大膽!」甚至笑陳庭維也傻傻的一個人接下來了,他認為,這在外面別說要單一個全職的工程師負責,連一整個團隊來負責,他都會感到緊張。後來黃詮峻接力設計出雙塔式衍架結構。

黃銓峻一樣從CAD 開始設計CAE的結構強度分析,繪製、修改工程圖的過程彷彿永無止境,接著還要克服場地問題、升降機構以及主結構,最大難題是升降機構電控部分,因團隊對機構電控是外行,便請外面的廠商設計電控系統。黃銓峻與廠商不斷溝通,走過繪製、修改工程圖的無限迴圈,到了最後獨自操作發射架升降的步驟,這是實現設計最重要的一環,卻又發生升上去但未達高度、上去了降不下來等問題,成員頂著大風爬到六米高的桁架,陳庭維說:「那種站高處,風一直迎面想把你拍打下去的感覺真的十分嚇人。但是我們都知道現在不是驚嚇的時候,要趕緊找出問題,最後發現,原來是焊接加工上的誤差以及熱變形所造成的尺寸偏差。一點點突起塊就讓整個發射架下不來!」

為桁架漆上白色(與火箭的鮮橘色相搭配)後,終告完工!發射前,桁架進行了最終演練,每個環節都小心翼翼地再三確認與測試,當火箭上架就定位,成員依已演練了50次以上的SOP,慢慢將發射架升起。當天正好為滿月,火箭升起的姿態像要前往月亮一樣。「雖然發射架舉升至預計位置不過約10分鐘,但是這十分鐘對於我們來說像是10年。」

ARRC 成員將火箭架上桁架,隨後桁架與火箭測試升降。
ARRC 成員將火箭架上桁架,隨後桁架與火箭測試升降。
火箭桁架升起。
火箭桁架升起。

動力來源:壓力容器(氧化劑高壓儲存槽)

壓力容器攸關火箭是否能穩定搭載燃料進行飛行任務,此工作由屏東科技大學團隊負責,帶領該團隊的胡惠文教授在美國普渡大學正是專攻複合材料研究,不過團隊由理論過渡到實作,依然經過了漫長時間的摸索。複合材料成本及技術門檻都很高,對「初學者」負擔很大,最初設計的笑氣高壓儲存槽(一般稱為壓力容器,pressure tank)是採用重量較輕且強度不遜鋼材的鋁合金做為壓力容器的主要材料。

然而,鋁合金銲接是一大挑戰,因其銲接後強度會降低一半以上,曾因此發生壓力容器強度不夠,灌氣程序失敗。團隊不得不導入複合材料,在鋁合金內膽上貼上玻璃纖維。HTTP-1成功發射後, 團隊進一步研究複合材料的材料與製程,材料從玻璃纖維轉而更高階的碳纖維,製程由手積層轉成更為複雜的機械纏繞。

然而, 下一次的HTTP-2α並未追隨HTTP-1 的腳步直衝天際,團隊無法驗證更換材料與製程後的壓力容器,是否可穩定搭載燃料進行飛行任務。因壓力容器的結構耐壓性遲遲達不到預期等級,接下來的任務延後。直至HTTP-2β成功發射,有了成功經驗,3S的製程才變得相對從容,現在內膽為相對好焊接的不鏽鋼,也避免熱漲冷縮造成纖維脫層。

儲存槽不能受壓太久,灌氣的時程須由火箭發射時間往前回推。HTTP-3S於3月24日清晨發射,灌氧化氮的時機就定在前一天傍晚。約十位交大團隊的成員留在發射場將98公斤的笑氣灌入火箭儲存槽。灌氣時須退至場邊,並透過電腦以攝影機監看鋼瓶的重量。當鋼瓶重量減輕20公斤後,就得將鋼瓶從吊車卸下換上新的,如此換了5瓶,灌氣程序耗費兩個小時,就ARRC的經驗算快。晚上大家分組輪流到發射場守夜,等候隔天清晨發射作業。

正在為火箭換裝笑氣的鋼瓶,要灌入將近100 公斤的笑氣。成員退到離火箭二三十公尺遠的空地邊界,監看螢幕轉播灌氣過程與鋼瓶重量。
成員正在為火箭換裝笑氣的鋼瓶,要灌入將近100公斤的笑氣。
IMG_4853
成員退到離火箭二三十公尺遠的空地邊界,監看螢幕轉播灌氣過程與鋼瓶重量。

與火箭「對話」:通訊系統

一次次任務會訂定火箭飛行高度的目標,這就牽涉到通訊,沒有訊號回傳就無法確定火箭高度。高碩聰笑說,火箭若訊號不好或失去通訊,成大和北科大團隊就會「吵架」,互開玩笑:「我們的電腦都活著,都是你們的通訊沒有把訊號打下來,害我們不知道資料。」而北科大團隊也「不甘示弱」:「我們天線好好的,是你們電腦當機,不把資料打下來我有什麼辦法?」到目前為止,出狀況時仍無法完全確定是電腦或天線的問題,只能概略猜測。

通訊系統由北科大電子工程系教授林信標帶領團隊設計研發,主要負責的學生為碩二學生劉訓彰。無線電看不到摸不著,得從一次次實驗歸納各個情境下通訊的表現結果,在火箭這種高速移動的物體上通訊與地面的長距離測試狀況又有所不同,劉訓彰說:「在地面上最接近的東西是高鐵吧,但又不太可能把這系統掛在高鐵車廂外面,趁它行車時測試,所以得不斷模擬。」

ARRC 團隊研製了2.4GHz 與434MHz 的雙頻段收發系統, 並自製火箭端的兩頻段 PA 與天線, 可達數百公里的傳輸距離。團隊也打造出「分散式連網地面接收系統」,在地面上離火箭發射點約50公尺處的涼亭設有一通訊站、安檢所的頂樓與地面各一站、試射處直線距離1公里與4公里處左右各有一站,由五個點同時接收火箭傳下的訊息,比對通訊狀況。同時,也將重要資訊即時傳輸到遠端控制中心的雲端平臺。

隨著一次次任務,團隊不斷改良錯誤率、通訊品質,在正式發射HTTP-3S 時,通訊系統的表現不負眾望。火箭全程飛行過程中,所有飛行電腦與導航感測資料均順利下傳至分散式連網地面接收系統,堪稱最順利的一次。劉訓彰回想起發射HTTP-3S這段過程仍「餘悸」猶存:「要發射時我幾乎看到人生跑馬燈!想說要是沒成功收到訊號一定又要被罵得很兇,心情很緊繃,接收很順利心裡反而異常平靜,喔,資料有收到,很好。」

發射之後:Yo-yo減滾系統與降落傘回收系統

火箭破空後會自然旋轉以保持穩定,但轉速太快會讓火箭上儀器無法運作,太空中心提供的 Yo-yo 減滾儀器(despin device)是由 ARRC 的屏科大團隊研發。減滾儀器將火箭由每秒2轉減至每秒0.5轉,讓火箭保持穩定的同時維持正常通訊。

發射後要讓火箭順利回收, 降落傘系統是關鍵。它能讓火箭以安全速度降落,太快可能損傷火箭本體,太慢則可能讓火箭在降落過程中飄太遠(因無法控制降落方向,只能任其隨風飄盪)。

為了降低重量,傘繩和布料通常使用目前最輕薄且強度最高的尼龍材質,尼龍布為永樂市場購入,夠細又強度高的理想繩子則是在釣魚店找到。負責降落傘系統的交大團隊成員魏世昕自力縫製降落傘,目前已製作了十頂以上,只要成功回收就能重複使用。魏世昕表示,比較麻煩的是系統設計,要如何依火箭速度與高度,設計不同開傘程序,讓火箭安穩降落,是一門很大的學問。若是開傘時速度過快,會造成極大的瞬間拉力,不僅可能損壞降落傘與火箭,甚至會造成傘繩斷裂、火箭直接墜落,所以得設計一系列程序來進行。

為讓測試符合真實情境,降落傘始終是APPL火箭飛行測試項目之一,但在這之前還要小測試,專業方式是靠風洞,但學校沒有足夠大的風洞,當地科技公司的風洞也只能測試小傘。魏世昕的方法是跑到校內最高的樓層(11樓),將降落傘綁著水桶丟下去(但高度不足,仍有測試限制)。

設計隨著每次任務有所差異,第一代是利用火藥將降落傘連同鼻錐彈射出去;第二代都是藉火箭在中間分節後, 再以火藥從分節區彈出降落傘,分節的設計是利用爆炸螺栓,將扣緊的兩節火箭斷開; 第三代時,因3D列印技術更趨成熟,零件製作也彈性許多,改為用火藥從火箭側邊彈出。三種設計在 APPL 系列都成功過,可惜在 HTTP 系列時變數複雜很多,未能看見降落傘系統成功執行。

成員正在組裝火箭的回收系統(連接傘繩與啟動降落傘的線路等)。
成員正在組裝火箭的回收系統(連接傘繩與啟動降落傘的線路等)。

後記

從新竹到屏東發射地,車程足足要8小時。發射時剛好遇到鋒面,ARRC團隊在狂風與陰翳天空下工作了四天三夜。因為團隊還沒有固定的研究基地,所有東西得搬來搬去,ARRC團隊就這麼頂著狂風,從黎明到薄暮進行一連串工作:整地、建航架、火箭組裝、上架、測試系統、灌燃料、航電聯測等等,到最後發射火箭。

3月24日,清晨陽光終於透出雲隙,長6.3公尺、直徑40公分、重300公斤的單節火箭 HTTP-3S 藉1,000 公斤重的推力衝上天際。火箭最後落於太平洋海面,可惜海象差而無法出海打撈回收。此次發射任務結束後,還有下一階段更繁重的雙節式探空火箭HTTP-3 任務, 期待ARRC前瞻火箭中心一步步走向太空!

HTTP-3S 冒出噴流、正要發射上天的瞬間時刻。
HTTP-3S 冒出噴流、正要發射上天的瞬間時刻。

 

歷代HTTP火箭資訊

HTTP-1 HTTP-2α HTTP-2β HTTP-3S
長度 4.2公尺 4.5公尺 4.9公尺 6.3公尺
直徑 15公分 15公分 20公分 40公分
重量 55公斤 64.5公斤 97公斤 300公斤
發射時間 2010.9.16 2011.9.3、9.4 2013.9.23 2014.3.24
火箭構造特點 成大自製飛行電腦。通訊天線採環形天線。 壓力容器與尾翼採用碳纖維(在此之前,壓力容器採玻璃纖維+鋁合金內膽,其餘為金屬骨架+薄玻纖外殼,唯燃燒艙為純鋁合金。) 燃燒艙採不鏽鋼+碳纖結構。通訊天線採子彈型天線。
飛行結果 順利發射。 燃料槽的控制閥出問題,火箭停留原地無法發射。 火箭順利射上接近10公里高空,唯通訊狀況不佳。 順利發射。通訊資料最完整的一次。

 

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2015/1月號

2015.03.18補充資訊:
台製前瞻火箭,即將升空,需要你的火力支援校園火箭隊!
火箭大叔前瞻計劃

文章難易度
馥林文化_96
54 篇文章 ・ 6 位粉絲
馥林文化是由泰電電業股份有限公司於2002年成立的出版部門,有鑒於21世紀將是數位、科技、人文融合互動的世代,馥林亦出版科技機械類雜誌及相關書籍。馥林文化出版書籍http://www.fullon.com.tw/

0

4
2

文字

分享

0
4
2
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

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

  • 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。

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。

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!

EASY天文地科小站_96
21 篇文章 ・ 754 位粉絲
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

0

3
1

文字

分享

0
3
1
哈伯也懂漂移?3D-DASH:哈伯太空望遠鏡最大的近紅外巡天計畫
Tiger Hsiao_96
・2022/07/10 ・2933字 ・閱讀時間約 6 分鐘

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

  • 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

若問當前軌道上最強的可見光太空望遠鏡是誰,那當然非哈伯太空望遠鏡莫屬。身處太空的它有著直徑 2.4 公尺的主鏡,可以在不受大氣層干擾的情況下,清晰地拍攝遙遠且黯淡的天體。然而,哈伯望遠鏡並非全能,雖然它在解析度(angular resolution)和靈敏度(sensitivity)上都無人能及,但也有不擅長的領域 ── 它的視野相當小。

哈伯太空望遠鏡。圖/NASA

即使是哈伯裝備的所有相機中視野最大的「先進巡天相機(ACS)」,其視野也只有 202 角秒 x 202 角秒而已,相當於滿月的 1.5%,或是一個十元硬幣在約 25 公尺外的大小。可以想見,想要用這麼小的視野拍攝廣大的區域,是相當緩慢而沒有效率的事。

直到最近幾年,天文學家發明了稱作「Drift And SHift (DASH)」的新型觀測模式,可以在不改變哈伯硬體設備的前提下,大大增加哈伯在近紅外線波段的拍攝效率。利用這項技術,來自多倫多大學的團隊展開名為 3D-DASH 的大型紅外線巡天計畫,其拍攝的天空範圍,是前一個紀錄保持人「CANDELS」的七倍之多。

不斷選擇「引導星」的傳統觀測模式

想了解為什麼 DASH 技術可以大大提升哈伯的觀測效率,就要先從哈伯原本是怎麼觀測的開始談起。

不知道大家有沒有在黑夜中拍照的經驗呢?在低亮度的環境中,相機總需要比較長的時間進行曝光,才能拍出清楚的照片。而如果你在曝光的過程中不小心移動了相機,那拍出來的照片就會糊成一團。同理,由於天文學家想要拍攝的目標,大多是極其遙遠且黯淡的天體,所以天文觀測時單張照片的曝光時間,往往動輒數百秒以上。因此,專業天文望遠鏡常會配備「導星(Guiding)」系統,以確保望遠鏡能在數百秒的時間內,都精準的指向同一個位置。

導星的原理很簡單,就是在望遠鏡和相機觀測的同時,同時用另一套相機監測視野中星星的位置。一旦發現畫面中恆星的位置有任何小小的移動,導星系統就會命令望遠鏡調整指向(pointing),即時把誤差修正回來。在哈伯望遠鏡上,這個負責導星的相機叫作「精細導星感測器(FGS)」。而這個用來幫望遠鏡「導航」的星星,就被稱為「引導星(guide star)」。

哈伯在進行拍攝時,需要找一顆導星來隨時校正方向。圖/GIPHY

一般來說,在哈伯望遠鏡每指向一個新的目標,都需要先花費一段約十分鐘的時間選擇引導星,然後才能進行科學拍攝。然而,由於哈伯的軌道週期僅有 97 分鐘左右,因此在一次軌道中,哈伯基本上只能拍攝一或兩個固定的天區,不然就會有大量的觀測時間被浪費在尋找引導星的過程中。如此一來,天文學家若想透過哈伯來拍攝 800 個不同指向,就需要花費 800 次的軌道繞行時間才能結束這項任務。

花費很多時間有什麼問題呢?哈伯望遠鏡的觀測,是由美國「太空望遠鏡科學研究所(STScI)」向全世界天文學家公開徵求觀測企劃之後,再從中挑選出最具科學效益的企劃後實施。一個耗時 800 個軌道週期的觀測,很難在競爭激烈的觀測計劃書中脫穎而出。

但如果,天文學家真的很需要用哈伯進行大面積的巡天,該怎麼辦呢?

提升效率的新方法

如前述,一般來說哈伯每指向一個新目標,都需要花費十分鐘來進行捕捉引導星。但換個角度想,如果把導星功能關掉,不就可以省下這些時間了嗎?

計画通り!圖/GIPHY

還真是沒錯,哈伯的設計的確是可以關掉導星系統,利用其中的陀螺儀來進行控制。但陀螺儀的能提供的穩定性終究不如導星系統,一旦曝光時間過長,望遠鏡的微小移動還是會造成最後曝光出來的星星像塗抹花生醬一樣糊成一片,這樣的影像是很難用於科學分析的。

開導星耗時間,不開導星又沒辦法長曝,該怎麼辦呢?

這時就輪到「Drift And SHift(DASH)」技術出場了!DASH 的核心概念很簡單:

  • 為了省時,我們就關掉導星。
  • 關導星不能長曝,那我們就拍很多短曝光時間的照片,降低每張照片的模糊程度,再把它們對齊之後疊起來。

以 3D-DASH 計劃來說,關掉導星會讓哈伯的指向以每秒 0.001 至 0.002 角秒的速度緩緩飄移。因此天文學家將每張照片的曝光時間壓縮到 25 秒以下,讓星點在畫面中的移動不超過一個像素(WFC-3 的像素大小為 0.129 角秒)。利用這樣的技術,天文學家就能在哈伯的一次軌道週期中,拍攝八個不同的指向,把觀測效率提升了八倍!

3D-DASH 的觀測天區和其他觀測計畫天區大小、深度(最暗可拍到的天體星等)的比對圖。圖/arxiv

拍這些照片有什麼用?3D-DASH 的科學意義

3D-DASH 計畫的觀測資料最近已於網路上公開,不過這龐大的資料量,觀測團隊以及其他科學家們還需要更多時間進行分析。不過,在公布這個計劃的論文中,團隊已經提出了一些值得分析的科學問題。

舉例來說,天文學家認為如今多數的橢圓星系(elliptical galaxy)們,都是由較小的星系合併而來。因此尋找合併中的星系,並測量它們的各項物理性質,是研究星系演化歷史的重要方法。但很多時候,地面望遠鏡可以大略看到一個光點可能是兩或多個相鄰的天體組成,卻沒有足夠的解析度可以研究它們的細節。但有了 3D-DASH 的資料,天文學家就可以清楚的看到星系們合併的細節,並研究其中細微的結構以及測量更多複雜的物理量。

合併中的星系們。圖/NASA

不過這種大範圍的巡天計畫也不是完美的。為了拍攝廣大的天區,每個天區分配到的平均觀測時間就會比較少,因此比起 CANDELS 等前輩們,3D-DASH 只能看到相對亮的星系們。雖然如此,3D-DASH 這種相對廣而淺的觀測,不僅可以提供更大量的星系樣本,幫助天文學家使用強大的統計方法進行分析;也可以讓天文學家先大概了解這片天區裡有些什麼,如果發現了有趣的目標,就可以使用哈伯或韋伯等其它強大的望遠鏡們進行更深入的觀測!

3D-DASH 的所涵蓋的天區,以及其超高的解析度。圖/arxiv

參考資料

延伸閱讀

Tiger Hsiao_96
2 篇文章 ・ 13 位粉絲
現於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。

0

5
1

文字

分享

0
5
1
看不見的歐若拉——物理學家解釋火星上極光的成因
Ash_96
・2022/07/05 ・4548字 ・閱讀時間約 9 分鐘

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

極光。圖/envato elements

形成極光的要素有三,其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場,可以在兩極地區生成北極光和南極光;然而,火星沒有覆蓋全球的磁場,因此火星上的極光並非出現在兩極,只能在特定區域生成。

近期,愛荷華大學領導的研究團隊,根據美國航空暨太空總署(NASA)火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)探測器的數據,確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成

極光三要素:大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前,讓我們先把鏡頭轉到地球,談談地球上的極光在哪裡形成,以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區(auroral oval),涵蓋北極與南極地區,但並非以兩極為中心;換句話說,極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外,極光橢圓區的寬度與延伸範圍,會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引,沿著磁力線加速往高緯度地區移動,最後和大氣中的原子碰撞時,就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述,可以得知極光的三個要素是:大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」,若屬於可見光波段,就能用肉眼觀測,並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍,綠色區域則為極光橢圓區。圖/National Park Service

火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前,得先介紹它的幕後推手——行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)。IMF就是太陽風產生的磁場,在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化,並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢?當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播,會同時拖曳太陽的磁力線一起離開;太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子,讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話,太陽就像是在轉盤上的蛋糕,太陽風粒子就是擠花裝飾;而當蛋糕一邊以固定速度自轉,擠花逐漸向外擴散的同時,就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

因為太陽一邊自轉,一邊拋射太陽風的關係,IMF的磁力線會扭曲呈現如圖的螺旋狀。圖/維基百科
蛋糕的螺旋狀擠花。影片/Youyube

對太陽風和 IMF 有基本認識之後,讓我們把鏡頭轉向火星,談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

相較地球來說,火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層,強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態,導致大氣層的散失;該過程稱作濺射(sputtering),發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一,在 IMF 的作用之下,部分的離子會環繞磁力線運動,隨著 IMF 移動而被帶離火星;另外一部份的離子則像撞球一般,撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子,引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明,根據團隊研究的成果,太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離,並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素(質子數相同,但是質量不同的元素)以氬-38 以及氬-36 為主,後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比,Jakosky 的團隊推估火星約有 65% 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形;其中又以二氧化碳為焦點,畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在,而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

火星的大氣層因為太陽風的濺射效應逐漸被剝離。圖/NASA

接著,讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢?這要先從行星發電機理論開始說起,該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

以地球為例,地核內部保留了地球形成初始的熱能,約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵,因為密度下降而上升至地核頂端,接觸到地函時,這些液體會喪失部分熱能而冷卻,因為溫度比周圍環境低,密度變高而下沉;如此不斷的熱對流循環下,讓帶有磁力的流體不斷運動,進而形成電磁感應。另外,科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向,產生螺旋狀的流動效果,有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示,火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關,在火星形成之初散熱較快,造成火星外核液態鐵短時間內就凝固,無法像地球一樣,保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化,不斷從地核深處上升至地函,再冷卻下降,持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力,導致火星內部的發電機幾乎停止運轉,無法形成全球的磁場。話雖如此,火星仍然具備小區塊的磁場,主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

行星發電機理論中科氏力影響行星地核內熱對流的導電流體偏向。圖/Wikipedia

磁層與大氣層相互依存,火星在太陽風不斷吹襲之下,大氣層愈趨稀薄;火星內部又缺乏發電機的動力,無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護,就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢,因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

既然這樣,看似缺乏極光形成要素的火星,又是如何形成極光的呢?

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護,但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡,磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用,滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」,與地球上常見的極光不同,有些發生在人眼看不見的波段(比如紫外線),所以也更加提升了觀測難度。

那麼,研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢?那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀(Imaging Ultraviolet Spectrograph,IUVS)!

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家,他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果,比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場(IMF)強度、時鐘角和錐角[註 1] 以及火星上極光的紫外線,發現在磁場較強的地殼區域內,極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向;反之,區域外的極光發生率則與太陽風動壓(Solar Wind Dynamic Pressure)關聯較高,但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到,在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內,當 IMF 的時鐘角呈現負值,如果正逢火星的傍晚時刻,較容易觀測到離散極光;也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯(Magnetic Reconnection)——意即磁場斷開重新連接後,剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量(如動能、熱能等)加以釋放,例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向:移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關,而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料,也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果,主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光;以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想,火星是目前人類圓夢的最佳選擇;但是在執行火星移民計畫之前,火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護,生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果,科學家們將發掘新的突破點;期許在不久的將來,我們能找到火星適居的鑰匙。

  • 註1:IMF 的時鐘角(Clock Angle)與錐角(Cone Angle)

如何判定 IMF 的角度呢?因為磁場空間是立體的關係,我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念,來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上,IMF 方向與 Z 軸的夾角;而錐角則是在 X、Y 平面上,IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

IMF 時鐘角和錐角示意圖。圖/ResearchGate

參考資料

  1. Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
  2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
  3. Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
  4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
  5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
  6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫
  7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的?物理學家有新發現,帶你揭秘
  8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平
  9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的? 科學家解謎
  10. BBC News 中文。北極光:美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理
  11. 明日科學。科學團隊藉由 NASA 的太空船所收集的資料得知火星大氣層的流失可能肇因於強烈的太陽風
  12. 台北天文館。NASA 首次繪製火星周圍電流分布圖,證實火星有磁場。科技新報。
  13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集
  14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
  15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
  16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.
Ash_96
2 篇文章 ・ 2 位粉絲
外交系畢業,很多人看成外文(是不是又回頭看一次? ) 常常在外向與保守的極端之間擺盪;借用朋友說的詞彙,我屬於營業式外向。 喜歡踩點甜點店和咖啡廳,大概是嚮往那種文青都會女子的感覺,或是純粹愛吃。 喜歡k-pop ,跳舞的時候會自動設定為開演唱會模式,自我催眠現在我最帥。