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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
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。

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。

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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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火箭衝向天際。圖/游允赫提供。
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降落傘成功全開,帶著火箭緩速落下。攝影/劉珈均。
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幾個成員辛苦跋涉過濕地,把火箭撿回來。攝影/劉珈均。
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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。

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。」

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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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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「新太空 2.0」時代來臨!盤點新創太空產業的衛星部署手段

黃 正中_96
・2021/09/26 ・3448字 ・閱讀時間約 7 分鐘

近年來以美國為首,國際上民營新創太空產業如雨後春筍,以新技術、新概念吸引風險投資,挑戰傳統太空產業,稱為新太空(NewSpace)2.0。

新太空的新創公司通常規模比較小,為了增加競爭力,常以併購或合資的方式,加速產業成長;所涵蓋的範圍包括火箭、小型衛星或衛星元件等領域,以價格破壞性經營,加強與傳統太空產業的競爭。

本文將分析量產的衛星精確部署到太空軌道,提高太空任務的新功能與價值;並盤點在此潮流下創新技術,和新創的太空產業。

論「快速量產衛星」的必要

新創航太公司為了更貼近市場需求,創新衛星量產技術、使用商用(COTS)元件,快速切入市場,提高產品附加價值的新衛星功能。例如使用微衛星以每小時拍攝一次地球上任何地點,並快速提供詳細圖像;使用衛星連接地面上廣大地區,構建太空網路;或者利用衛星開採小行星高價值的稀有礦物等等。

新創衛星公司所使用商用零件,設計小型或立方衛星,儘管它們的尺寸很小,但可以共同提供功能和服務,卻比傳統衛星更大、數據產品媲美大衛星。量產衛星優點是可以一次發射許多衛星,發射費用比傳統的大衛星便宜得多,但是缺點是,設計 / 任務壽命較短。

最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)

新創公司為了發堀利基市場,開發最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)1。一旦建立了 MVP 衛星,新創公司再進行優化調整。MVP 為了減輕重量,加快生產速度,設計時忽略了部分功能,如推進次系統(Propulsion Subsystem)、部分姿態控制(AOCS)或沒有備份設計(backup design)等等,以便快速進入市場。

美國的 Planet Labs 公司 180 顆遙測照相衛星,Spire Global 公司 110 顆氣象服務衛星公司,或挪威的 Iceye 公司 10 顆透過雲層對地球照相的合成孔徑雷達小型衛星等等,證明 MVP 可以在很少的預算下,製造和發射衛星到太空,並傳送數據返回地球。

美國 Planet Labs 公司的 Dove satellites。圖/Planet Labs 臉書

快速量產的代價——衛星損壞率高

但是,利用商用航電元件快速製造,在太空高輻射的環境,可能面臨高衛星損壞率,例如新創 Planet Labs 公司 2設計和製造著名的 Doves Triple- CubeSat 微型衛星,2015 年創立後發射了 339 顆 3U 高解析度的 Dove 遙測立方衛星,但是 2021 年 8 月只剩下約 180 顆衛星運作中。

另外的案例 Spire Global 公司從太空觀測雲數據和分析,提高了天氣模型的預測能力。自創建以來,已發射了 140 多顆衛星,目前有 110 顆 3U 立方氣象衛星星系營運中。

SpaceX 的 Starlink 太空網路公司3,到 2021 年 9 月 14 日為止,已經發射了 1791 顆低軌通訊衛星,統計有 125 顆衛星故障或離開太空返回地球,目前太空網路擁有 1615 顆低軌衛星建構太空網路,所以新太空的高衛星損壞率,令人印象深刻。

搭公車上太空,立方衛星「以量取勝」

大量微小或立方衛星搭乘所謂的「公車火箭」到太空,若是衛星計畫經費較多,可以搭乘單個火箭進入太空。但是大部分的計劃在預算限制下,搭乘「公車火箭」到達軌道後,整“群”離開火箭,微小 / 立方衛星以一種相當不受控制的方式繞地球漂移。

福爾摩沙衛星七號衛星搭乘火箭。圖/科技部臉書

這種「下車」方式,對於遙測照像任務,「打群架」方法是有效的,但不是最佳的方式,每顆衛星都可以拍照並發送下來,但個別衛星可能會聚集在一起,從而照相送回多餘的圖像。

對於通信衛星架構,「打群架」是沒有經濟價值的,因為在不受控制的衛星群體,只能隨機覆蓋地表,對於地面用戶來說,無法定時收到監控資料,也無法忍受隨時斷訊的通訊。

新創公司的決勝關鍵:更精確的太空軌道部署

為了增加小衛星任務所產生的產品價值,未來更精確的軌道部署,將會產生革命性的決勝關鍵,每顆衛星將被更仔細、周到地放置到精確的軌道上,使整個星系的價值,大於各自執行任務的總和。

更精確的軌道部署將成為任務規劃中首要考量,當雜亂無章的群轉變成精心編排的星系,其中均勻分佈的小衛星以優化其覆蓋範圍和數據價值時,小衛星架構的價值將得到充分體現。

優化「衛星系」的兩種辦法

有兩種實現衛星系(Constellation)優化的方法,第一種是單獨發射小衛星,或者一次發射兩到三個在特殊的小型火箭上發射,這些火箭可以「隨時隨地」運送航太器,眾多的小型火箭新創公司 Rocket Lab 和 Vector Space Systems 等,瞄準此新市場,計劃將小型衛星運送到低軌太空。

這種方法存在兩個挑戰,可能無法使其適用於所有星系。首先,大型星系需要大量發射,即使每週發射一枚火箭,完全部署一個星系也可能需要數月甚至數年的時間,其次發射費用按公斤計算,總經費也不便宜。

優化星系的第二種方法是為每個小衛星配備機載推進次系統,許多衛星可以共用火箭發射,例如由 SpaceX 的 Falcon 9 或 Falcon Heavy 等發射器的低每公斤成本發射,離開火箭以後就需要耗費自身燃料,抵達任務軌道。儘管所有飛行器都將成群離開火箭,但它們可以使用各自的推進系統分散到預先選擇的各個軌道中,以優化星系均勻性。

這種方法的好處是可以利用機載推進系統提供額外的任務價值,例如通過補償阻力來延長任務壽命,重新配置星系以彌補發射失誤,或在壽命結束時使衛星脫離軌道,減少太空垃圾,但是燃料使用過多,減少任務壽命卻也無可奈何。

獵鷹 9 號將 60 顆 Starlink 衛星送入軌道。圖/SpaceX

成本太高?新型「微推進系統」問世

新太空 2.0 的新創公司,有許多小衛星沒有包含推進次系統,主要是因為技術還不夠成熟,而且成本太高,無法納入 MVP。精確部署衛星所需的推進系統成本,市場上推進系統大部分是手工建造的,對於新創公司無法負擔。設計、開發和製造過程,還沒有發展到大規模生產。

但市場對於大量製造的機載推進系統需求強大,針對此問題,美國 Orbion Space Technology 以及 ExoTerra Resources 新創公司推出霍爾效應推進器(Aurora Hall-effect thruster),以及 Tethers Unlimited、Deep Space Industries 和 Momentus 公司,亦推出水離子推進器(Water Plasma propulsion),水離子推進裝置,進入太空小型推進器的市場。

水離子推進器。圖/參考資料 5

沒錢裝推進系統?你需要的是「太空運輸」服務

針對為了節省燃料以提高壽命,以及沒有配備星載推進系統的立方 / 微衛星,美國新創太空運輸的 Momentus 公司,推出離開火箭以後,在太空將立方 / 微衛星或其他小型衛星,在太空中運輸到所需任務軌道。

義大利的 D-Orbit 公司今年(2021)5 月部署了 20 顆義大利 ION 衛星,成功示範可以改變高度和傾角的太空運輸。D-Orbit 公司並計劃於今年(2021)10 月為 Planet SuperDove 公司在太空「最後一英里的太空運輸」服務,運輸 12 顆地球遙測衛星。

但是你可知道「最後一里路」要走多久?

以我國的福爾摩沙七號衛星星系為例,衛星設計有星載的推進系統和攜帶燃料,用來調整衛星在太空的飛行軌道;福衛七號的六顆衛星於2019年6月25日發射升空,離開獵鷹九號火箭以後,總共花了 20 個月逐漸調整軌道,才將六枚衛星的軌道面布置,形成在地球上空以 60、120、180、240、300度的夾角,涵蓋全球的氣象觀測衛星星系部署。

新太空 2.0 時代來臨!將顛覆傳統衛星公司

新太空(NewSpace)2.0 顛覆甚至於威脅到傳統衛星公司,例如 Intelsat 同步軌道通信衛星公司因過時或更高的價格使他們無法與低成本寬頻通訊競爭導致破產4,同樣的澳洲衛星通訊公司 Speedcast 和為航空公司和船舶提供 Wi-Fi 服務的 Global Eagle 公司與 Intelsat 公司一樣也都負債累累。

新太空快速的行業變化,也影響了衛星地面部分;例如衛星天線製造商 Phasor 在被新創 Kymeta 用更高效率覆蓋整個 Ku 頻段衛星天線公司淘汰而申請破產。去年 OneWeb 的破產困境源於缺乏靈活性,讓 SpaceX 競爭對手以超越其技術而破產。

因此新太空的來臨,太空產業需著重技術創新,適應快速市場變遷,隨時關注市場的變化與趨勢。對於一個創新技術競爭的衛星新創參與者,摩爾定律將主導創新和開發新市場。

參考資料

  1. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  2. 〈Wikipedia〉Planet_Labs  
  3. 〈Wikipedia〉Starlink
  4. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  5. Water propulsion technologies picking up steam
  6. Satellite bankruptcies circa 2000 vs. 2020: We’ve come a long way!me-a-long-way

黃 正中_96
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國家實驗研究院國家太空中心研究員。勿忘對科學研究的熱情,勇敢築夢,實現夢想…...
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