阿提米絲的願望

飛向宇宙──3D圖解首支國產混合式導控火箭

陽明交通大學前瞻火箭研究中心(ARRC)研發了全球第一枚具有「導航控制」功能的火箭「HTTP-3A」,而這支火箭的誕生代表著,台灣距離用本土火箭送衛星上太空的目標,又更靠近一步。

透過3D圖解,一起來感受這支火箭發射的臨場感,並了解台灣要自製火箭的原因、機會與未來展望。

(文字/柯皓翔;攝影/林彥廷;設計/江世民黃禹禛;畫面動態設計/黃世澤余志偉;核稿/楊惠君;責任編輯/陳韻如


ARRC研發的一支「HTTP-3A」火箭,今年(2022)7月進行飛行測試,這也是科技部「短期科研探空火箭發射場域」啟用後的首次任務。

「HTTP-3A」屬於雙節火箭,也是全球第一枚具備飛行導航控制系統的混合式火箭。這次規劃只先針對上段第二節火箭來進行原定約8分鐘、10公里高的飛試,測試的重點在:驗證飛行導航控制系統是否可行、火箭能否按照規劃的任務需求飛行。

什麼是「雙節火箭」?

火箭升空過程,隨燃料消耗,重量會不斷減少。為了有效減輕重量、利於火箭加速,火箭常會設計成多節,拋棄已用完的推進器。以常見的堆疊分節方式為例,所謂第一節、第二節,即是由下而上稱之。

什麼是「混合式火箭」?

一支火箭要飛向宇宙,需要靠引擎「推進劑」才能提供火箭升空動力。推進劑的材料包含氧化劑與燃料,而根據推進劑材料不同,可把火箭分為「混合式」、「固態」、「液態」3種。

所謂「混合式火箭」指的是推進劑混合固態燃料、液態氧化劑;若推進劑是固態燃料,加上固態氧化劑,則被稱為「固態火箭」;「液態火箭」則是指推進劑儲存液態氧化劑、液態燃料。

發射:飛行升空高度約3公里

7月10日上午6時12分,海岸旁的控制中心傳出歡呼聲,橘紅色的HTTP-3A火箭劃開屏東旭海天際,抵達約3公里高空、最終降落太平洋。從螢幕上確認火箭成功發射後,身著橘紅工作裝的ARRC成員總算鬆了口氣。5月初曾因天候不佳、系統故障而取消飛試的他們,成功把握住7月第二波的發射機會。

ARRC原預定在5月3日至4日就要進行飛試,但因天候不佳、系統故障而取消;團隊7月9日至12日重新申請第二波飛試,原計畫第一天即可發射,不過到最後發射準備階段,因「氮氣分離接頭」故障而取消,只能隔日再戰。

揮別前一日沮喪,團隊成功完成測試。最終的飛行高度並沒有達到預期的10公里高、490秒(約8分10秒),實際約到3公里高、約80秒。ARRC副主任魏世昕說明,只要前面30秒飛行導航控制有按照規劃進行,就算九成九的成功,儘管後面火箭確實出現狀況,但所有過程、緊急程序的動作都在規劃範圍內。

不過,HTTP-3A火箭順利升空之前,ARRC團隊成員得先進行一系列的準備。

火箭表定發射時間落在當天清晨6時至8時,成員需把握前一天下午至晚間9時的休息時間。「大家想睡就自己睡,不過我猜應該大部分的人都睡不著,」ARRC副主任魏世昕說,在天亮前的數小時,成員就要頂著夜色做準備,進行流程演練。

這次最終飛行高度約3公里、飛行時長約80秒,雖然結果和預期有落差,但仍是一次寶貴經驗,可讓團隊規劃火箭升空到落海的過程,也標誌著台灣距離用本土火箭送衛星上太空的目標,又更靠近一步。

「雖然它可能沒有到達我們預計的飛行高度,但是對我們來說都一直不是重點,而是整個飛行過程都有達到我們的規劃,(數據)都有回傳回來,所以其實最後目標是火箭也回收回來,我們有更多的數據可以去做分析,如果漁船有找到,就100分,」魏世昕說。

火箭最後降落在太平洋,ARRC團隊與當地漁民合作回收火箭,圓滿完成此次任務。後來ARRC團隊檢討這次火箭發射未達原訂飛行目標的原因,發現問題應出在火箭引擎提早熄火。火箭推進劑其中一個材料氧化劑所使用的單位原本應是公斤(kg),但在火箭發射準備過程中,團隊把單位誤植成磅(lb),導致氧化劑僅填充原訂的45%。氧化劑填充量不足,使得火箭沒有足夠的氧化劑供引擎燃燒,才會提早熄火關閉。ARRC團隊也表示,未來相關飛試作業會再針對發射程序問題細節討論,避免同樣錯誤狀況發生。

有趣的是,即使這次火箭發射在初始階段就出現偏差,但火箭飛行控制卻仍可正常運作。

目標:放眼「送衛星入軌」的未來

未來,火箭最終目標是要載著實驗方塊衛星(又稱立方衛星),抵達100公里以上、大氣層與太空交界的「卡門線」,進行太空科學實驗。

(什麼是卡門線?延伸閱讀:【真的假的】台灣到外太空的距離,開車一小時就能到?

為什麼「導控」重要?原來ARRC不把這支火箭當作是純粹的「探空火箭」,而是提升規格,以「類衛星載具」為目標做研發──有能力調整飛行姿態,才有後續搭載衛星入軌的門票。

傳統的探空火箭是進行太空科學研究的工具之一,可以搭載各項科學儀器,短暫飛到海拔50公里至300公里高空範圍內量測數據,拓展人類對該區間的理解;台灣過去曾進行10次探空火箭發射。如果是50公里內高度,適合用探空氣球;300公里以上開始屬於「低地球軌道」範圍,適合用人造衛星。

也就是說,如果只是探空火箭用途、飛到100公里高度,其實不一定要具備「入軌」能力。如果要入軌,除了高度要夠(通常300公里以上)、避開空氣阻力外,水平方向還必須達到「第一宇宙速度」(約每秒7.9公里)。要做到這件事,火箭必須要具備推力向量、推力大小的控制系統,有能力進行導控,才能精準進入地球軌道。

做出具導控功能的火箭是為了更長遠的未來。「一般來說,做探空火箭只是想要飛高而已,不用設計到那麼複雜。但我們主要測試目的並不是飛高,而是要先把飛行導航控制系統,做初步的驗證,這在台灣是比較技術上比較缺乏,但又是做衛星載具絕對必要的技術,」魏世昕說。

突破:將導控運用在混合式火箭

魏世昕介紹,火箭按照推進系統差異,可分為固態、液態、混合式,型態特性也影響了應用可行性。

這次的火箭引擎就是屬於混合式設計,也就是讓液態的氧化劑(雙氧水)透過控制閥注入引擎,與引擎內部的固態燃料(聚丙烯)混合燃燒。

固態火箭則是推進劑(包含氧化劑和燃料)皆屬固態,事先混合製備好;液態火箭則分別儲存液態氧化劑、液態燃料,兩者透過管路系統、控制閥注入引擎燃燒。

魏世昕說,固態火箭如「沖天炮」,燒起來後很難停止,也很難做推力向量控制;液態火箭發展技術成熟,可調節流量、控制性好,送大型衛星入軌的火箭基本上都是液態,不過這類成本較高、設計相對複雜;混合式火箭低成本、安全、構造相對液態火箭簡單,也可媲美其性能表現。

這支火箭構造為何?如何在「混合式」火箭的體質下,去實現傳統液態火箭才能做到的推力控制?

機會:以低成本運載搶占衛星市場

混合式火箭技術仍有許多可開拓之處。截至目前,全球混合式火箭飛行最高高度僅100多公里,還沒有出現300公里以上、搭載衛星入軌的案例,技術創新與改良正持續進行。

不過由於太空科技的發展所費不貲,有能力降低成本即能提高競爭力;混合式火箭因為系統複雜性降低,結構相對液態火箭簡單,而具成本優勢。

魏世昕介紹,若以運載火箭搭載衛星的費用為例,一般認為混合式火箭有機會比液態火箭減少一半以上的成本。若屬於未做回收的運載火箭,每公斤運送價格約2萬至3萬美元;有回收者如美國太空探索技術公司(SpaceX),可壓在每公斤1萬美元以下;混合式火箭同樣預估落在1萬美元以下。

「液態火箭要降低成本,重複使用是很重要的一點,不過混合式也有回收再使用的潛力,」魏世昕指出,如果混合式也能做到,成本也就會再更低。

既然混合式火箭具備低成本優點,為何在運載火箭上,相關技術發展仍相對有限?國家太空中心主任、也是前ARRC主任吳宗信表示,由於太空先進國家紛紛已採液態火箭作為研發方向,混合式火箭在其國內往往難以搶到資源,但對台灣來說,反而有很大開拓空間,有機會做到領先;此外,安全的混合式火箭也適合學校端研發。

不過,學術端的成果有沒有更多產業端支持,進而擴大應用可能性,也成了往後觀察重點。吳宗信坦言,火箭要賺大錢還是很難,但一旦掌握火箭技術後,衛星方面的應用就蘊藏更多商機。

美國衛星產業協會(SIA)今年6月最新公布的產業報告指出,2021年全球太空經濟營收約有3,860億美元(約新台幣11.5兆元),其中衛星產業就囊括72%的營收,如果細看產業結構,衛星服務約1,180億美元(占全部31%)、衛星地面設備1,420億美元(37%)、衛星製造137億美元(4%)、衛星發射產業57億美元(1%)。

目前,有愈來愈多衛星正待發射。美國非營利科學智庫「憂思科學家聯盟」(The Union of Concerned Scientists, UCS)統計,截至今年4月30日為止,全球約有4,700顆低軌衛星運作中;這數字未來預計持續上升。2020年9月SIA發表的白皮書便指出,到2029年以前,全球低軌衛星數量保守預估達到1萬顆、各種高度軌道衛星總數可能破10萬顆。

展望:台灣自主發射衛星入軌

國家太空中心內部展示的福衛二號發射影像。(攝影/林彥廷)
國家太空中心內部展示的福衛二號發射影像。(攝影/林彥廷)

台灣迄今已寫下自主研發衛星的里程碑,但目前還未能自主發射衛星入軌,衛星想要上太空仍必須到國外,過去如福衛一號、二號、三號、五號、七號皆是在美國發射。

「現在台灣太空經濟大概都講到衛星,沒有再往上游,你如果再擴大看SpaceX,Falcon 1(獵鷹1號運載火箭)讓它成功,後來變Falcon 9,它為什麼先做火箭?其實做火箭要賺大錢很難,但你沒有火箭,這個太空經濟的主體的衛星就上不去,」吳宗信表示。

他補充道,英印合資的衛星公司一網(OneWeb),原本是透過俄羅斯的聯盟號(Soyuz)火箭將衛星送入軌,不過今年受俄烏戰爭影響,俄國不滿英國制裁而不再幫OneWeb載運,該公司必須轉而改搭其對手SpaceX的火箭,「你若沒有,你要拜託別人、要去排班,現在時間就是金錢,這個效率就差很多。」

想做到自主發射,不只技術要到位,更要有場地。目前旭海發射場是屬於科研性質,其腹地小僅0.9公頃,較合適大學火箭團隊短期小規模發射探空火箭,不適合作為更大量級運載火箭發射場。

2021年5月《太空發展法》立院三讀通過後,科技部也啟動「國家級發射場域」場址勘查。吳宗信表示,相關評估作業已經展開,選址可能位在台東或屏東;科技部5月也曾表示有4地點正在勘查中。國家太空中心副主任余憲政表示,未來國家發射場域的設置,會由一委員會來做審理,評估各候選地的條件,不過相關法規研擬須先完成,今年也已展開候選場址之資料收集。

HTTP-3A火箭發射前一日晚間10點,ARRC成員前往屏東旭海發射場準備。(攝影/林彥廷)

「未來如果有公司、火箭公司要做衛星,在台灣可以發射,或者外國的也可以到台灣發射,」吳宗信表示,台灣在火箭發射上具備地理條件優勢,由於緯度低,可以借到地球的速度,入軌更加節省能量。

要做到自主發射衛星入軌有多難?今年6月21日,韓國成功發射運載火箭「世界號」(NURI),將模擬實驗衛星送到700公里高的軌道,躋身全球少數有能力自主發射衛星的國家。

「全世界可以用火箭送衛星大概有12個到13個,但是為什麼韓國叫世界前7強,因為那些有些(酬載)是100、200公斤的;中型火箭、可以送1,000公斤以上的衛星有7個國家,韓國是第7個,所以它變成太空強國中的強國,甚至現在2024要啟動探險探月的計畫,」吳宗信觀察。

他進一步分析,韓國過去引擎技術仰賴俄羅斯而無法自主,後來12年前「很有guts」決定自己做,至今耗資約新台幣450億元,終於達成這項目標。

對台灣而言,除了場域就位,若要做到像韓國的規模,勢必少不了業者的投入。吳宗信表示,韓國世界號的研發,背後其實有300個公司合作、建立起產業鏈;他也認為,過去美國科技公司國際商業機器(IBM)電腦因阿波羅計畫而問世,火箭或衛星都像「肉粽頭」,有機會帶動產業蓬勃發展,如能激發年輕人投入,就能提供更大想像空間。

「自己在本土做出來的衛星載具火箭,可以帶自己的衛星(上太空),這件事情是足水的代誌,足羅曼蒂克的代誌,」吳宗信說。

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柯皓翔 《報導者》資料記者,寫文字也寫程式。喜歡結合數據、圖表、影像來說故事,也努力了解當代科技技術、實驗新聞的可能。對科學題材常有滿滿熱忱,想和讀者一起保持好奇心,探索未知的世... 了解更多 林彥廷 有志於影像書寫的紀錄者,相信說故事是開啟深度交流的關鍵鑰匙。日本早稻田大學政治經濟學部畢,享受在攝影過程中觀察人與人的互動,並試著將人文社會學和行為經濟學的知識運用在生活... 了解更多 江世民 唸設計系的香港人。從沒想過踏入新聞界的我,卻因為近幾年的社會事件而體悟到新聞的價值,從而期望透過設計技能讓讀者更直覺地感受到報導中的人事物。 了解更多 黃禹禛 從新聞系半路出家的設計師,主要任務是把複雜的資訊變成好懂、好讀的圖像。轉化故事不太容易,但我會繼續努力! 了解更多 楊惠君 從沒有手機和電腦的時代開始當記者。記者是挖礦人、是點燈人、是魔術師──要挖掘世界的不堪,為喪志的人點燈,將悲傷的事幻化成美麗的彩虹⋯⋯常常會失敗,但不能放棄去做到。 了解更多 陳韻如 新聞系畢業後,就投入編輯這份工作,非常努力讓每一篇報導都美美的呈現在讀者面前,希望你也喜歡這篇文章。 了解更多 黃世澤 相信影像是普世語言,努力以攝影與人溝通、講述故事,追尋意義。 了解更多 余志偉 與攝影一同死去,在影像中追尋人生、體察社會,浮游於知識的汪洋。 了解更多

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