飛向宇宙──3D圖解首支國產混合式導控火箭

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公里高受限於第二節火箭推進劑容量大小限制，僅飛至10公里高；如果加上第一節火箭，目標要飛至100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。

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

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。

「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。