科學人雜誌
特別報導

台灣火箭產業高飛

2021-04-01 魏世昕、吳宗信
走一條不同的路,台灣火箭科學家自行研發混合式推進系統,以製造衛星載具 火箭為目標,期許高度跨領域整合人才,並開創新產業。

重點提要

  1. 現代火箭是工程上的智慧結晶,需集結電子、機械、化工等領域研發,早年由政府主導,近期才有民間投入。
  2. 火箭類型有四種:單推進劑、固態、液態與混合式,其中液態與固態火箭各因效率與系統簡單而發展迅速。
  3. 台灣擁有優秀的專業人才與健全的產業鏈,若能自行發射火箭與衛星,可望帶動太空經濟成長。


不曉得你是否看過「十月的天空」(October Sky)這部真人真事改編的電影?故事是描述1957年10月蘇聯發射第一枚人造衛星「史波尼克1號」。這枚衛星吹響了美蘇冷戰時期的太空競賽號角,也啟發了住在美國煤林鎮的高中生希坎姆,讓他決定走一條不同的路,與朋友一起製造並發射火箭。他們曾迫於現實環境一度放棄,在老師的鼓勵下,後來獲得全美科學展覽會優等獎。這部電影相當感人且寫實,劇中發射的糖火箭就是使用以糖為燃料的固態火箭推進劑,而陽明交通大學前瞻火箭研究中心(ARRC)也是從自製糖火箭開始的,當時ARRC還沒成立。


台灣在火箭相關的科普教材並不如美國發達,火箭製作與發射的零組件皆需自行設計並研發。2007年交通大學機械系教授吳宗信(本文作者之一)開設了「火箭推進理論設計與實作」課程,並在2008年6月22日發射了ARRC團隊的第一枚與第二枚火箭APPL-zero。雖然兩枚小火箭並不如預期升空,其中一枚還炸成天女散花,但這段經歷改變了我們原本對於火箭實作課程的想法:「火箭」真的可以如此觸動人心;學生見證自製火箭發射而感動流淚,這幾乎是打造其他工程系統無法比擬的。製造並發射火箭是需要一群人「做伙作夢」、「做夥拍拚」才有辦法成功的夢想。直到今日,選修該課程的學生仍有幾位在ARRC持續實踐火箭夢,這群初心不變的年輕人令我們由衷感動。


四種火箭比一比

在所有科技當中,火箭與太空科技是相對特別的領域。不單單是研發的困難性,還必須結合電子、機械、資工、材料、化工、控制、通訊等跨領域人才。火箭研發成本高昂,皆是由政府主導的戰略科技,可謂不惜成本。火箭升空後大多難以回收,為了達到最有效利用,火箭設計追求的是運載效率。常見指標是酬載比(payload ratio),即酬載重量與火箭的總重量比,數值越大表示同樣的火箭重量可以運載越重的衛星。影響酬載比的主要因素包含火箭結構重量比、引擎推進性能(比衝值)等。依據公開資料,火箭實驗室公司(Rocket lab)的電子火箭酬載比大約1.8%,太空探索科技公司(SpaceX)酬載比是1~2%,而火箭結構重量比約10~20%,其餘80%以上為推進劑重量。也就是說,100公斤火箭僅能運載1~2公斤衛星進入軌道。


因火箭的重量龐大,為了瞬間產生足夠推力,目前運載火箭推進系統仍舊以化學反應火箭為主。種類可再細分為單推進劑火箭、固態火箭、液態火箭與混合式火箭(參見40頁圖)。除了單推進劑火箭是透過觸媒與推進劑反應而產生推力外,其餘三種皆為混合燃料與氧化劑的雙推進劑混合燃燒產生推力。


燃料與氧化劑的組合相當多樣。固態火箭中常使用的固態氧化劑包括過氯酸銨(NH4ClO4)和硝酸鉀(KNO3)等,固態燃料則是端羥基聚丁二烯(HTPB)和金屬鋁粉為主。而常見的「沖天炮」是以黑色火藥(硝酸鉀、碳粉、硫粉的混合物)做為固態燃料。因為燃料與氧化劑在點燃前就混合完畢,燃燒反應效率極佳,但無法調控燃燒反應速度與推進器推力的大小(飛行速度)。在推進器排氣方面,為了有更好的燃燒效率與穩定性,使用HTPB的固態火箭中常會有其他添加物,再加上過氯酸銨含有氯,因此污染程度是四種火箭類型中最高的。糖火箭所使用的氧化劑為硝酸鉀,成份不含氯,污染程度也就較低,缺點是推進效率較差。另一種較先進的固態推進方式,是使用二硝醯胺銨(ammonium dinitramide)為氧化劑,其密度與比衝值均高於傳統的過氯酸銨,燃燒後不會排放含氯化合物,相對乾淨且環保,缺點在於儲存時容易受潮分解,尚待更多的研究加以改良。


液態火箭中,氧化劑主要使用效能最佳的液態氧(LOx)為主,燃料則使用液態氫(LH2)或RP-1煤油為主。與固態火箭相反,液態火箭的燃料與氧化劑分別儲存,透過供流系統的控制閥分別注入燃燒室中混合燃燒。由於燃料與氧化劑皆可控制注入,火箭引擎的推力及熄火與否也就可輕易調控,重新點火則需要危險性極高的特殊混合自燃(hypergolic)配方輔助。也因為推進劑成份皆為碳、氫、氧化合物,燃燒後的產物主要為水蒸氣與二氧化碳,其排氣也因此污染較低。


相較固態與液態火箭,混合式火箭有這兩種火箭推進系統的優點:構造簡單、操控安全性高、氧化劑易儲存、低成本與容易調控推力。氧化劑可選擇液態氧、一氧化二氮(N2O)、過氧化氫(H2O2)等。燃料有HTPB、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等熱塑性聚合物。如同液態火箭,推進劑成份皆為碳、氫、氧化合物,在極高溫(接近3000K)情形下,其排氣也是相對低污染。而透過調控氧化劑的流量,同樣可控制混合式火箭的推力大小。在同樣的火箭推進系統性能需求下,混合式火箭可達到與液態火箭相近的推進與控制性能,且構造更簡單。而其中使用的固態燃料不易與外界空氣燃燒反應,也避免了火箭發射失敗時導致的爆炸風險。


然而,最重要的安全性卻成了混合式火箭的主要缺點。氧化劑與固態燃料不容易混合燃燒,使引擎混合燃燒效率偏低。固態燃料放置於燃燒室中燃燒,因此無法設計額外的燃料流量控制系統;較大的引擎燃燒室也讓火箭重量較難減輕。總括來說,控制性且推進性能俱佳的液態火箭與系統架構最簡單的固態火箭,發展最為迅速,也間接造成明顯的資源排擠效應,導致混合式火箭的研發長期停滯不前。


以衛星載具火箭為研發目標

混合式火箭受惠於科技發展,加上低廉的開發成本以及相對高的安全性,成為許多研究機構與私人公司採用的新型推進系統,以降低目前火箭推進系統與運載火箭發射的成本,例如ARRC、成功大學航空太空科技研究中心、義大利帕多瓦大學太空研究中心、南韓科學技術院、台灣晉陞太空科技公司、美國維珍銀河公司。


ARRC在2010年9月發射了全台第一枚大型混合式探空火箭HTTP-1,至今已發射四次(包括HTTP-3S)。而APPL系列火箭,主要目的已轉為培養學生實作並驗證大型混合式火箭的次系統或元件開發。近期在科技部與群眾募資的支持下,HTTP-3A規劃成可直接垂直升空、不需要發射架與尾翼的類衛星載具火箭。類衛星載具火箭具備五種特色:(1)可依規劃軌跡與姿態飛行至次軌道,進行酬載實驗;(2)火箭引擎技術性能的真空比衝值超過300秒,可控制推力向量(飛行方向)、推力及重新點火能力;(3)類衛星載具導引導控的能力;(4)即時作業航電軟硬體系統;(5)採用輕量化結構,例如碳纖維複合材料與其他相關材料。


為什麼會說是「類衛星載具火箭」?因為研發難易度天差地遠。開發衛星載具火箭的過程很難一步到位,必須進行各種技術的前期驗證,而這也是執行HTTP-3A計畫的緣由。當這些技術通過嚴格的飛行測試驗證,火箭攜帶衛星進入軌道的夢想就自然會水到渠成!


ARRC在連續四次懸浮飛行測試失敗後,去年8月成功完成了全世界首次透過混合式火箭推進系統進行懸浮飛行測試的火箭HTTP-3AT。更在同年9月8日進一步達成飛行時間25秒、空中懸浮飛行10秒的成果。初步驗證了雙氧水混合式火箭推進系統具備執行垂直起飛和垂直降落(vertical takeoff and vertical landing)的跳躍飛行能力。這種火箭飛行控制技術可媲美使用液態火箭引擎系統,而且製造成本更低。


這兩次懸浮飛行測試均進行飛行位置導引及姿態控制,並預先設定在不同時刻應有的高度值,以零水平位移做為控制目標,盡可能於起飛處降落。火箭懸浮飛行受到超過40個變數的影響,包含火箭即時質心位置、慣性測量單元(IMU)位置、各顆引擎位置、角度、即時推力和結構形變量等。此測試的關鍵技術在於可靠的火箭引擎、靈敏且精準的推力強度與推力向量控制,以及搭配精密的飛行導控軟硬體設計與整合,這些都需要在前期經過無數的次系統地面測試後,才能組裝整合進整枚火箭的系統中。而在此之前,世界各國在混合式火箭推力控制方面,皆還處於實驗室規模的測試階段,ARRC已經替台灣在此領域插下一面鮮明的旗子......


# 關鍵字:特別報導太空科學科技火箭航太
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