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【圖解】太平洋邊上的太空夢

解析國產首枚類衛星載具火箭飛行歷程
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今(10)日清晨6時12分,一支橘紅色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。

這是陽明交通大學前瞻火箭研究中心(ARRC)科研火箭飛行測試,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。作為全球第一枚可導控的混合式火箭,這標誌著:台灣距離用本土火箭送衛星上太空的目標,又更靠近一步。

《報導者》專訪ARRC團隊,透過圖解帶你認識這支「HTTP-3A」火箭,看見飛行背後的苦工與拼搏。

上午6時12分,海岸旁的控制中心傳出歡呼聲,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原預定在今年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2分鐘。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、緊急程序的作動都在規劃範圍內。

看過ARRC走過10個年頭,這次飛行測試計畫也花了快3年,國家太空中心主任、也是前ARRC主任的吳宗信感動說:「如果你站在那個launch control center(控制中心),你一定會感覺到緊張的氣氛,這種很複雜的發射程序,只要稍微不小心,一個小小的一個東西,你都會想就是要把它解除掉,我想這些小孩子真的是轉大人,我自己也轉老人啦。」

從新竹跋涉至屏東、數日作息晝夜顛倒的辛勞,如今終於有了成果。

徹夜準備,「HTTP-3A」清晨時分正式起飛

由於表定發射時間落在清晨6時至8時,ARRC成員們得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。

火箭飛行經歷哪些過程?

這次ARRC發射的火箭名為「HTTP-3A」,屬於雙節火箭
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。
,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,測試的重點在於: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來飛行。

這次最終飛行高度約3公里、飛行時長約2分鐘,雖然最終結果和預期有落差,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。魏世昕說,30秒後火箭遇到哪些問題,還需要花時間釐清,未來團隊也會根據此次收集到的數據資料做討論和分析。

「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。

讓火箭可導控,是放眼「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
即「立方衛星」,以長寬高各約10公分、重量約1.33公斤為基本單位。
,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。

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。

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太空、火箭、ARRC
5月飛試取消後,火箭送回新竹的陽明交大博愛校區。圖為實驗室ARRC成員對火箭檢修。(攝影/林彥廷)

專屬場域啟用,人員部署橫跨5公里海岸線

這次ARRC飛試,是科技部今年1月啟用「短期科研探空火箭發射場域」後的首次飛試。

科技部短期科研探空火箭發射場域
  • 地點:屏東縣牡丹鄉旭海村,該地依山傍海、緊鄰台26線
  • 周邊人口:旭海村戶籍人口約400餘人、長住人口200餘人
  • 面積:約0.9公頃
  • 大事記:因位處原住民族傳統領域,場域劃設須經過當地部落會議同意;2021年11月22日,當地以過半住戶參加、85票同意通過
  • 重要性:國內大學有了合法、安全場地可作火箭飛試
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科研火箭發射場位於台灣東南角、屏東縣牡丹鄉的旭海村。(衛星圖資/Google Earth;設計/黃禹禛)
科研火箭發射場位於台灣東南角、屏東縣牡丹鄉的旭海村。(衛星圖資/Google Earth;設計/黃禹禛)

為了這一次的火箭飛試,團隊人員如何配置?

首先,距發射塔約150公尺處,是由貨櫃屋組成的行動發射控制中心(Launch Control Center, LCC),團隊為了飛試,將貨櫃從新竹載到旭海。

控制中心內有約15位人員,編組上除了指揮官外,還有4種地面支援系統(Groud Support System Equipment, GSE),涵蓋電器(E)、燃料(F) 、機械(M)、通訊(T),工作人員透過多個螢幕,即時監控火箭狀況。

其實在發射場外也有人員部署。團隊分別往北、往南約2.5公里處,設置兩處天線站。這是因為火箭發射速度快,若傳輸只靠控制中心的通訊站,會發生都卜勒效應
一種物理學現象。如果波源跟觀察者之間的距離不斷改變、有相對運動時,觀察者所接收的頻率也會產生變化。例如救護車接近時鳴笛聲聽起來較尖、頻率較高,遠離時頻率變低。
,讓訊號的波形、頻率改變,造成通訊中斷,兩個站點正可作為雙保險接收訊號。

另外,發射時為保持安全,北站是大部分工作人員的待命位置,一般民眾、媒體也多在此見證。

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火箭發射過程中,不只是發射場域有人員部署,團隊還分設南北兩個天線站,以利火箭通訊傳輸。(攝影/林彥廷)

儘管發射場域啟用,不過現場環境、設備仍較陽春。國家太空中心射場指揮官曾坤樟表示,場域未來會做道路改善,也計畫用移動裝置或安排場地,安全存放氧化劑及鋼瓶;另外可透過帳篷雙拼結構,做出夠大場地暫存火箭,如此一來不只不怕天候不佳,甚至可以在裡頭做組裝、維修、安裝酬載;這些仍會以環境衝擊最小的工法進行。

曾坤樟補充,用來評估發射與否的資源如今也更多了。相較於5月初狀況,現在已有中央氣象局協助做預報、太空中心現場也建置量測觀測站;未來,在中央氣象局高空風場分析技術的協助下,對發射團隊判斷也將有所助益。

突破:當導控運用在混合式火箭

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太空、火箭、ARRC
ARRC實驗室內調整中的火箭構造。(攝影/林彥廷)

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:混合式火箭關鍵技術發展中,台灣有潛力以低成本運載搶占衛星市場

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太空、國家太空中心、衛星
國家太空中心內的衛星操控中心(Satellite Operations Control Center,SOCC)。(攝影/林彥廷)

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SpaceX
美國太空探索科技公司(SpaceX)致力發展可回收火箭,以降低成本。2016年4月首度在獵鷹9號(Falcon 9)火箭上實現海上火箭回收,第一節火箭成功降落在海面的無人船上。2017年3月,SpaceX成功發射回收火箭,最後箭體也成功降落海上平台。截至2022年6月,獵鷹9號火箭一支編號B1060的推進器已經重複使用13次
,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?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。

過去20年來,國內成功大學、交通大學團隊都在混合式火箭研發上,累積若干成果。

台灣混合式火箭發展歷程
  • 2001年:成大以國科會計畫方式,開始投入混合式火箭研發

  • 2009年:太空中心啟動探空十一號先期研究,與交大、成大兩團隊合作「混合式火箭先期研究計畫」

  • 2009年5月26日:成大航空太空工程系趙怡欽團隊在台南沙崙發射「成大I型」火箭,推力30公斤級,為台灣第一枚成功升空的混合式火箭,射高1公里

  • 2010年9月16日:交大機械工程系吳宗信團隊成功在旭海發射「HTTP-1」混合式火箭;箭長約4.3公尺、55公斤重、直徑15.5公分

  • 2010年10月13日:成大「成大II型1號」火箭成功在旭海飛試,飛行高度達8公里,推力300公斤級;箭長3.6公尺、外徑約16公分、起飛重量68公斤

  • 2013年9月:ARRC團隊發射「HTTP-2β」混合式火箭到近10公里高空

  • 2014年3月:ARRC團隊「HTTP-3S」混合式火箭飛達10餘公里;推力達1,000公斤級、箭長6.35公尺、直徑40公分

  • 2015年10月28日:成大在屏東旭海發射「成大III型」混合火箭到9.1公里高;推力達1,000公斤級、箭長5.3公尺、直徑28公分、起飛重量194公斤

  • 2019年8月:成大與太空中心合作的「前瞻型混合式探空火箭」成功在旭海發射,該火箭為雙節,推力達1,500公斤級,且成功脫節、完成高空點火測試;箭長5.57公尺、直徑34公分、重264公斤、推力1,500公斤級

  • 2019年12月27日:晉陞太空科技混合式探空火箭「飛鼠一號」原定在台東南田村發射,目標高度200公里,因居民抗議取消飛試;該雙節火箭長10公尺、直徑150公分、第一節推力8,000公斤

  • 2020年9月:ARRC團隊「HTTP-3AT」混合式火箭空中懸浮測試成功,成為全球首個實現的團隊

  • 2021年9月16日:飛鼠一號移至澳洲進行發射,但火箭起火燃燒失敗

  • 2022年7月:ARRC團隊「HTTP-3A」第二節火箭在旭海進行飛試,測試導控技術

資料來源:《福爾摩沙飛向太空──台灣太空科技發展的軌跡》、《科學發展》、ARRC、成功大學

整理:柯皓翔

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2021年底為止,全球約有4,078顆低軌衛星
即位於低地球軌道(Low Earth Orbits, LEO)約衛星。一般高度2,000公里以下軌道屬於低軌,衛星在此範圍極具通訊應用價值,另外國際太空站、大多數對地觀測衛星也落在此區間。一般入軌衛星,高度會在300公里以上,以避免大氣阻力。
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。

展望自主發射運載火箭、送衛星入軌的那一天

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太空、福衛七號、SpaceX
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
2016年發射的福衛五號,是台灣第一顆自主研發的衛星。
,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。

去年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上的優勢,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)
又稱KSLV-II (Korean Space Launch Vehicle-II),由韓國航空宇宙研究院(KARI)研發。2022年6月21日,世界號成功將1,500公斤的模擬實驗衛星送入700公里高的太陽同步軌道,並完成與地面通訊。該火箭屬於液態火箭(以液氧、煤油為推進劑),推力達75公噸。該火箭2021年10月曾進行第一次發射,但未成功送衛星入軌。(參考資料:KARI
,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IBM電腦因阿波羅計畫
美國航空暨太空總署(NASA)1961年至1972年進行的月球探測計畫,實現載人登陸月球並返航。1969年阿波羅11號成功載人登月,阿姆斯壯成為登月第一人。
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。

無畏失敗、廠商及群募支援,讓年輕人的太空夢起飛

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控制中心內,不同分組專業的人員在此追蹤火箭狀態。圖為2022年6月演練過程。(攝影/林彥廷)

太空的世界裡,失敗是再常見不過的事情。5月初因天候不佳、系統故障等原因取消火箭飛試後,ARRC團隊重新將火箭載回新竹的陽明交大博愛校區拆卸,診斷系統故障原因。

《報導者》6月上旬前往新竹的達盛機械工程,記錄ARRC團隊演練過程。記取上次失敗教訓,團隊也趁梅雨鋒面來臨,將箭體移至戶外、做雨淋測試,最後也確認系統正常運作。

ARRC成員、清華大學動力機械工程學系碩士生陳佐任是發射任務的副指揮官,他回顧5月初時,團隊成員面對不佳天候,在現場其實並沒有太多情緒,都發揮專業,透過預報資料,評估天候狀況及檢測時程,最後決定取消發射。

「我們都了解,測試一定是很多次很多次,每次都學一點學一點這樣子;大家對於失敗是很樂觀地看待,就算是一個人犯了錯,也都不會有負面想法,都把這些經驗學起來下次就不會再犯,繼續再往下一步邁進,」陳佐任說。

除了熱忱外,學術機構要做火箭,仍有現實面壓力,所幸不少貴人都幫了ARRC一把。除了科技部研究經費支持外,ARRC團隊針對HTTP-3A火箭,透過群眾募資方式籌措資金,有超過7,000人響應、募得2,500多萬元。

此外,多家廠商技術支持,更是團隊重要後盾。作為長期支援ARRC的廠商之一,達盛除了出借廠房空間外,這次也協助發射塔的設計,並出動5名人力至現場,協助架台組裝及箭體吊掛。

達盛總經理何義爐分享,會如此力挺ARRC,便是希望支持台灣產業,「沒有這個(火箭技術),是缺一大塊,我們希望說能夠為國家做一點事情,我們也願意這樣配合。」

包含陳佐任在內,ARRC許多成員的火箭夢在國高中時期就開始萌芽,現階段也持續追夢。他分享,團隊做了很多測試、關鍵技術研發,在在希望證明可行性,期待往後台灣社會、政府、民間有更多力量,一起完成目標。

台灣的太空夢看似遙遠,但這群逐夢者不怕失敗的熱忱和決心,早已跨出最重要的那一小步。

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太空、火箭、ARRC
(攝影/林彥廷)
索引
徹夜準備,「HTTP-3A」清晨時分正式起飛
火箭飛行經歷哪些過程?
專屬場域啟用,人員部署橫跨5公里海岸線
突破:當導控運用在混合式火箭

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