動態訊息 │ 即時新聞

探空六號成大「單基燃燒推進實驗」

新聞出處:NSPO 2007/09/07

探空六號火箭單基燃燒推進酬載計畫由成大航太所趙怡欽、袁曉峰兩位教授所領導之研究團隊負責,成大團隊接受國研院太空中心委託以兩年的時間完成不可能的任務,為國內學術界首次由國人自製推進酬載參與太空任務飛行。發展過程是艱辛的一步一腳印,但成果是豐碩的甜美回憶。

一個成大研究生想飛的夢想

深邃的天空與無盡的蒼穹常是每個男孩夢想的原鄉,記得以前看過一部名叫「十月的天空」的電影,內容描述著一位熱衷於火箭研究的男孩,經過一連串的挫折與不斷的努力,最後真的達到他的夢想,看著火箭搭載著夢想飛往天空,那種滿足與驕傲真是無以名狀,當時不由得升起一種嚮往的心情,於是當一位不折不扣的火箭男孩就變成了自己嚮往的目標,「我也能夠將我的夢想射往蒼穹嗎?」。回想起兩年前老師告知我們要準備接下國研院太空中心探空六號火箭推進酬載計畫的時候,那瞬間好似心裡長久以來的夢想似乎已經可以逐步一一實現。但這個消息也隱隱約約的透露出未來有許多的挑戰與磨練等著我們團隊,隨著興奮心情這個計畫就如火如荼的展開了。

萬事起頭難

隨著計畫執行,當然也必須做些充實的準備,才能對付接踵而來的關卡。看著十幾年前學長的論文,拼命的K著它們,才知道自己待的實驗室-國立成功大學航空太空工程研究所液態推進實驗室,早在十多年前即開始著手衛星姿態控制用的小型單基推進劑液態火箭的科學研究,而且一開始也是從受到管制且少的可憐的文獻堆中一點一滴開始蒐集、閱讀,經過了好幾代的交替與努力,一步一步踩在前人的肩膀上向前辛苦邁進的結果,終於讓我們設計出國內第一個完全屬於自主開發設計與測試的單基推進劑液態推進器雛型。雖然只是一個初始的模樣,但也看得出它將來也會有好的發展空間。每當在實驗室,就會看到陳列在櫃子裡面的一堆堆的推進器測試組件與一幅幅掛在實驗室長廊上歷代學長的論文簡介,似乎在告訴我實驗室的過去種種為了實驗的辛勞與付出。

展新的設計與挑戰

目前實驗室已可以掌握小型單基推進器的基本設計要領,雖然過程可謂無比的艱辛,但相信收穫也相當地充實,從推進實驗室可以鍛鍊出很多的經驗與設計能力,尤其是吃苦耐勞的超級精神。為什麼呢?因為每當進行實驗時,為了安全的考量,我們都要背著厚重的氧氣瓶、戴著的氧氣面罩,還有外加一套高等級的化學防護衣重裝上陣(如右圖),沒看過的人可能會嚇到,還以為是要上太空了耶!也因為安全考量,我們每一個成員在防護衣裡可是汗如雨注,雖然辛苦但為了好玩我們都稱呼它為恐龍套裝,因為穿起來簡直像是日本科幻電影裡面的庫斯拉。

 

適逢國研院國家太空中心積極推動探空火箭計畫,在期間成大已投入無數研究生的腦力、體力與青春,且已歷經數個研究計畫,大家都用著有限的研究經費投入這場太空的夢想與理想中。然而此次參與探空火箭科學酬載計畫,對成大航太系與航太中心的許多同仁與研究生而言,無疑地是一個相當艱鉅的任務與挑戰。因為將實驗室內的單基推進器移植到實際衝上太空的探空火箭上進行測試,可是國內單基推進器發展十餘年來的首例。表面上看似容易,但做過了才知道,因為其中隱含著許多系統工程上需要面對且必須克服的問題,可謂困難重重。許多理論上的推演如何真正落實至系統工程上,反應在理想與現實衝撞所產生的火花中,也是國內學術界的一大挑戰,而且已經開始考驗著成大探六推進器酬載團隊的每個人。

此計畫執行之初,於擬定系統架構與最終規格後,推進器酬載系統之研發工作便以推進器本體組合研製、酬載系統結構及次系統開發等方向進行。由於在實驗室中推進器本體只是純粹地面測試用,並無考量太空的輕量化需求以及真空無重力的環境實況,因此需要重新設計外型、保留內部構造已達到薄殼化結構,另外為了要測量推進器的性能參數也要考慮壓力與溫度感測器的安排位置,經過了熱烈的討論與再三嘗試實驗測試,終於太空用的推進器本體雛形也出爐了;為配合推進器在高空中可以量測推力,酬載系統也因應此需求進行設計,以達到順利量測推力的目的。因為火箭在發射時彈體自旋的因素會產生離心力,所以經成大團隊討論後決定安排兩組推進器在酬載上進行推力測量,並進一步安排酬載上相關的管路與線路配置方式,以便酬載藍圖的繪製。為了確保旋轉狀態下可以順利擷取到推力,於是設計了一套旋轉平台來進行旋轉中測量推力的實驗。經過了幾番波折的我們終於證明推力是可以測量的,但事實上火箭在發射軌跡中仍然還有許多地面實驗設備無法真正模擬的,所以這也是此次計畫中挑戰。

夢想的實現

 

地面大氣靜推力測試的設備終於架設完成(如左圖),但是卻仍然缺少了主角-推進器本體。由於推進器本體的材料不易取得,且高精度加工的廠商難尋,等了又等、盼了又盼推進器本體終於加工完成,可以大顯身手了。因為我們也是第一次使用大氣靜推力設備,所以也摸不著頭緒,常常東壞壓力感測器、西壞熱電偶;不然就是資料擷取電腦不聽話當機或是燃料突然用完了……等。所以凡做過實驗的研究生都知道一場成功的實驗是累積了無數的血淚經驗所換來的,也讓我們明白到沒有任何事是一蹴可及的,只有透過努力、努力再努力。在歸仁成大航太中心推進實驗室裡的我們常常一起看日落、又一起看日出,但是當一階段的實驗順利完成時,總是有一種成就的滿足感,終於可以帶著實驗數據去找老師了。
在確認大氣靜推力測試的實驗數據無誤後,才能繼續進行下一階段的測試。於推進器與酬載系統組合安裝後(如右圖),開始進行推進器酬載系統性能測試,但卻面臨了前所未有的難題-低頻的燃燒不穩定震盪。由於此現象是在過去管路系統上未曾出現過的,所以變的相當困擾。因為實驗室中一般可輕易解決的壓力震盪問題,居然成為了酬載系統上最棘手的問題,令人覺得不可思議。為了更加認識與解決此問題,成大探六團隊成員不知翻過多少的相關文獻,也是試過許多不同設定的管路組合,甚至日以繼夜地實驗,嘗試找出可行的辦法以解決問題。好長的一段時間也不知召開過多少次大大小小的會議,更遑論蹲在酬載系統前的群聚式小組討論,卻始終沒有一個令人滿意的答案。然而國研院國家太空中心成員的協助與加入討論是突破問題關鍵,解決的方法竟然是曾經嘗試卻又放棄測試的一個小圓孔。此問題的產生與克服彷彿給探六推進器酬載執行團隊首次科學與工程完美結合不可替代的訓練,期間藉由實作、討論、分析,甚至對問題的看法與爭辯,促使參與人員快速且多方面地累積過去所從未碰觸、學習、思考過的知識與經驗,都是彌足珍貴的回憶,相信也是每個參與人員最驕傲的經歷。

在一波三折地解決了酬載系統燃燒不穩定震盪問題後,本以為將是海闊天空ㄧ帆風順,殊不知卻是另一波挑戰的開始,因為我們將面臨到不同於一般學術界與業界的超級嚴苛太空級規範要求。於是乎成大探六推進器酬載系統正式踏出校門,準備接受挑戰以達到符合飛試狀態的標準。第一站中科院真空艙的酬載系統真空推力測試,為了模擬太空中的真空環境,我們帶著酬載系統與相關大大小小的實驗儀器設備進駐了真空艙實驗室。不管到哪裡都一樣,只要是做實驗的都會面臨到駕設備過程中的磨練與折磨,中科院真空艙的電路箱居然怎麼接都不會通,無法正確抓到所有感測器與攝影機的訊號,甚至仔細去量線路還有斷路、短路與電壓壓降過高……等極其怪異的現象發生,就這樣過了一個禮拜。當然老天爺看在大家這麼努力的份上,終於救兵出現了;因為在飛行過程中所有的實驗資料必須由遙測組的遙測段擷取數據,所以請了遙測組同仁的支援,幫忙處理相關的訊號擷取問題。經過大家同心協力的幫忙終於可以進行測試了,現場站滿了一大堆此次實驗的相關工作人員幾十人,大家摒氣等待按下測試按鈕,但有趣的是實驗並沒有如大家所期待的開始進行了。因為太緊張的關係居然把控制的程式搞錯了,擺了一次烏龍,但重新修正後實驗正式順利開始。看著攝影機中推進器隨著燃料的注入反應開始發光發紅,那時候心情真的是非常的快樂與滿足,一種滿滿的成就感環繞在心頭久久未曾散去。

第二站推進器酬載系統環境測試,測試項目為溫度循環試驗、真空環測與衝擊震動環測三大關卡。由於實驗室的設備通常皆處於室溫環境,但太空環境的冷熱溫差劇烈,所以我們也沒有十足的把握可以過第一關。果然進入零下四十度的低溫後,系統上游的高壓氮氣壓力隨即消失,無法維持在高壓狀態。進行了許多位置的測漏液泡泡檢查,也嘗試將可疑處進行處理,但仍然無法維持高壓狀態。本來束手無策的我們已經決定要將酬載搬回成大重新檢討處理,但最後終於檢查到是一個球閥在洩漏,順利解決問題通過此關測試。第二關真空環測因為有著前面真空艙的磨練,當然順利通關。第三關衝擊震動環測是最恐怖的一關,也是讓我們最沒有把握的。因為當初設計酬載的時候並沒有完全考慮到衝擊震動標準的規範,所以在酬載上的某些位置強度上是較弱的。結果在測試的尾聲中,一條不鏽鋼管焊接處發生斷裂且燃料槽的某處接頭亦呈現裂開,裝在燃料槽的液體隨著上游高壓通通噴了出來,經過適當的整修與強度補強再次進行測試,順利地通過此次測試。也讓我們瞭解到太空等級的嚴格規範是有其安全與任務需求的,必須好好重視。因為比較嚴格的測試大致都以通過測試,皆下來的相關測試似乎就輕鬆許多。酬載系統組裝聯合測試與總成測試以及組合測試,目前也都順利的通過了,期待發射日的到來。

期待起飛的日子

隨著探空六號火箭發射在即,成大探六火箭推進器酬載團隊已經準備好至射場的各項測試工作外,成員們的內心也興奮莫名,滿心期待著火箭升空剎那間的震撼,以及推進器酬載系統藉由遙測訊號回報任務成功時的喜悅,甚至已開始模擬起火箭發射當時心臟跳動的頻率與振幅,好似推進器組合與酬載系統進行組測時之推進器燃燒室壓力般,每秒30下且振幅不斷地擴大……。