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探空六號中大「回收艙實驗」

新聞出處:NSPO 2007/09/06

探空六號火箭回收艙酬載計畫由中央大學光機電工程研究所江士標、蔡錫錚兩位教授所領導之研究團隊負責,中央大學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回收艙酬載參與太空任務飛行,將可為國內的太空科技發展史寫下一個重要的里程碑。


中大團隊所開發的回收艙不但是台灣第一個由火箭帶到太空後再推離的人造系統,更是台灣第一個送上太空又可以回到實驗室的系統。由於台灣是島國,這回收艙更是國際上少數落回海面進行回收的系統。負責此次任務的江士標教授在民國94年成功發射之探空四號任務中,即以自製的光度計協助中大太空科學研究所郝玲玲教授成功完成台灣上空90至270 km高空之綠光波段氣輝實地量測。而在此次探空六號任務中,整體系統比探空四號光度計酬載複雜度更高,除增加三種以上的量測訊號,也多了三個單晶微電腦、電源與無線通訊系統。機構更是由容納功能昇級到具有機能性、抗震、抗高溫、水密外,還要具有與火箭脫離機構、降落傘開傘機構等。

新的設計與挑戰

萬事起頭難,再如何簡單的事,第一次做總是最困難。但代價卻為中大團隊累積了可觀的設計與測試經驗,促成他們挑戰回收艙的決心與信心。由於回收艙的任務必須能承受火箭升空,經歷大氣層與太空各種嚴厲的考驗。例如必須能承受火箭昇空、分離、開啟降落傘與落海所產生的衝擊振動,以及返回大氣層時因為摩擦減速所造成的高溫,同時還必須能漂浮在海上並以無線電發出自我定位訊號待援。因為此類資料多屬各先進國家管制機密,中大團隊迫於參考資料不完整的狀況下,逐一摸索並設計開發出各個關鍵功能。譬如說,在一個最大直徑約30公分、高度約50公分的不倒翁外型機構,本體即具有防火、防震、防水的功能,而且重量亦可控制成密度比水輕。就在這小小的空間內,除了控制電路板等電子儀器外,亦塞進能在適當時機開啟的降落傘。為了減低飛行任務中的衝擊力,也放入緩衝機構。為了不論在空中或海面都能自我定位,此一回收艙安裝了3個直徑4公分的圓形天線,以及一支18公分撓性天線。

而在電子儀器的設計製作上,為了讓這小小的回收艙在廣大的海洋上能迅速被找到,包含有GPS自我定位,並透過一個433MHz無線電發射經緯度資料,以利搜尋。回收艙電路由四顆單晶電腦及電源管理模組所組成,四個電腦分別管理衛星定位、無線通訊、定位資料與溫度資料記錄、地磁及加速度資料紀錄。所有回收艙經歷的環境資訊,包括溫度、加速度、翻轉姿態、路徑高度及經緯度,沿途寫入電路板上的64Mbit的快閃記憶體。為了能處理任務中多源突發事件並接受外界通訊測控,中大團隊自行開發出回收艙專用作業系統。整體電路運作所需電能,由八顆鋰電池提供。電池在低用電模式下,能維持48小時供電,在全開模式下,也能維持系統運作4到5 個小時。電源管理模組具有自動充電功能,確保能以滿電狀態開始執行任務。

為配合搜救,設計製作了近十組無線電接收機,以及測試用無線電發射機。同時為了方便田野實測以及正式任務定位,也設計出能在個人電腦上將回收艙之經緯度資料即時在Google Earth上繪出路徑的軟體。

嚴厲的品質管制測試

為確保任務順利成功,回收艙必須通過如“十八銅人陣”般的測試,才能行走江湖。用來保證酬載品質的環境測試,分為回收艙單獨的驗證測試,包括:水密測試、真空測試、溫度篩檢、溫度循環、振動測試、衝擊測試、開傘測試等,以及與火箭箭體的聯合測試,包括:總成測試、軸向加速測試、旋轉測試、實體迴路模擬、整合組裝測試等與昇空前的發射架聯測。由於幾乎所有的測試都是第一次,因此也嘗到許多挫折與苦頭,但是也從中找到許多在設計階段所想像不到的問題。負責機構設計的同學就清楚記得,原以為在水密測試前都已檢查過任何可能會漏水的部位,結果卻發現回收艙內氣體因冷收縮產生吸力,將水由天線接頭吸入艙內。從測試中找到弱點,並集中精神在不影響無線通訊的限制下找出改善方法。同樣情況也發生在振動測試中,中大團隊從中發現原始扣住的方式不足以抵抗振動環境,天線接頭必需加焊。電路系統中任何一個小元件故障或焊接不確實,都可能造成任務失敗。透過溫度篩檢與溫度循環測試的把關,可以找出元件或焊接瑕疵加以淘汰,確保了電池及電路系統皆可以在太空環境的高低溫變化下仍保持功能。

測試中最不順利的一段就是總成測試,本測試目的先確認火箭與回收艙電子系統能相容,再測試兩者合作互動的功能。這個測試中,主要遇到的困難是火箭內部轉發GPS訊號給回收艙的功能不正常。經過一個多月的測試研究,發現回收艙的GPS接收性能會因為入射訊號角度變大而迅速劣化,回收艙天線視窗機構設計會限制GPS良好接收的角度。修改GPS天線窗機構設計後,終於解決GPS長期通訊不穩的問題。在測試中不斷發現問題、修正設計,解決問題,同時累積處理問題的經驗,才能在系統牽涉越來越廣,參與人員越來越多的狀況下,仍能夠穩步前進。

由北到南的田野測試

此次探六回收艙計畫與先前探空計畫不同。以前探空火箭發射出去後,就只要透過火箭上的無線數據機傳回科學酬載收集的資料即可,但透過此種方式所能下傳的資料量有限。而這次回收艙在火箭發射後,就必須隨即進行搜尋回收艙任務,把回收艙帶回來,讀取記憶體貯存資料,此種方式記錄資料不受無線電下傳量限制。為確認回收艙能夠安全降落大海,又能在茫茫大海中能被找到,中大團隊的師生因此展開上天下海,南征北討的全島田野測試,一步步發現問題,一件件解決問題。

首先登場的是去年12月在屏東所進行的直昇機機載測試,目的是驗證降落傘是否順利開傘,傘繩是否會斷裂纏繞,回收艙入水是否會上浮,回收艙是否能承受入水衝擊?同時也順道驗證回收人員執行操作性。回收艙由高空2公里處拋投,在接近終端速度時由電腦計時控制開傘,這次實測結果,完全排除在介面會議所有關於降落傘的疑慮,同時也確認回收艙可以承受入水衝擊,並能浮出水面。

隨後進行的是一連串回收艙的GPS與無線電求救通訊測試。先從中大附近的永安漁港陸地測試開始,確認無線電傳送已達地球曲率限制的距離後,就在今年2月在台東進行首次艦載測試。測試方式是由船艇攜帶回收艙由港口向外海出發,再轉向架在屏東的接收站方向前進。此次艦載測試令人興奮的是,驗證回收艙無線電可以在60公里處收到,但GPS訊號在回收艙下入水後即脫鎖。此次經驗也促成GPS天線蓋後續的改善修正工作。

為了避免前兩次整個團隊到東部測試的勞師動眾,中大團隊就在過完年後選定雪山隧道通車後交通便利的宜蘭進行測試。在今年3月共進行兩次測試,接收站設立在北宜公路九彎十八拐上,海拔273公尺路旁,投海點則在宜蘭蘇澳沿海。第一次的行動就因車行振動造成回收艙天線接頭鬆動,使RF無法正常發射,也因此確認天線接頭的固定作業模式。有第一次的經驗,第二次就非常順利,在蘇澳北邊山腳下海邊,中大江教授將回收艙拉進海中,使其載浮載沉,而距離28公里遠的接收站確認可以接到回收艙無線電發送之GPS定位訊號,且收訊強度經換算在56公里以上亦可以收到。中大師生長久的不確定壓力,就在這一次試驗中獲得解除。

為再次模擬回收艙在海中的通訊狀況,中大團隊在5月1日在宜蘭進行第二次艦載測試,租用漁船,由南方澳出海,接收站仍設於九彎十八拐,希望量到最遠海面通訊距離。可惜原先規劃的測試點,因為漢光演習預演原因而無法順利完成。為確保任務能順利成功,在6月再度重回台東進行第三次艦載測試,雖然中大師生滿懷信心與希望,但卻被當時梅雨季的怪天氣所打敗。在未上船艇時,遠在80多公里外的屏東接收站,可收到因地形限制而不可能收到的訊號。但上船後,卻發現一直開到35公里,也沒收到訊號,更不要說投海。但在失望要回航時,天氣忽然變化轉晴,接收站端連收幾筆,沒想到準備好投海又收不到。事後請教太空所以及電機系無線電專門教授,研判電磁波會因氣壓及水氣壓有不同的傳播速率,在天氣不穩定,下局部陣雨地區,無線電波可能會以曲線傳遞。所以可以繞過地球曲面到達80公里外的富岡,也可能因為水氣壓在海面上不均勻部份曲線傳遞與部份直線傳遞產生破壞性干涉,使得原本該收到的無線電波收不到了。有這次經驗,穩定的氣候就成為正式飛試任務必需注意要件。

經過中科院專家與中大教授共同討論,決定放棄艦載測試,改進行第二次機載測試,以直昇機測試接收回收艙訊號,完全模擬正式飛試時的真實回收動作。在7月由一組人以舢舨在屏東牡丹外海定點投放回收艙,再由直昇機昇空負責接收資料。此次試驗非常順利,直昇機昇空後分別在五公里,十公里,二十公里,三十公里處,自轉一圈,在這些點不論直昇機向那個方向,都可以一直持續收到回收艙傳來的訊號,證實我們的搜救半徑至少有30公里。至此中大團隊半年多來的全島奔波,進行田野測試的辛勞與壓力,就在此刻化為烏有。

充滿自信持續向前行

一個創新度高的困難、挑戰度高的太空科技探險就像攀登喜瑪拉雅山一樣,如果能夠將研究視為一個有目標的探險,探險的目的就在於找出該走的路徑以及該避免的失誤。中大師生正是懷著這樣的目的來執行太空科技發展計畫,對他們而言,每推進一步就像得到一個成功的級分,每發現一個失效模式就像得到一個經驗的奬杯。這樣的心裡建設可以提供他們面對挫敗時,打起精神再拼一程的勇氣。不管別人對探六回收艙的成功定義為何,在回收艙進入最終與火箭整合組裝測試時,中大團隊已經認為這個計畫至少已經得到70,80分以上的成功級分了。因為他們已經通過多個試驗節點,找到了許多失效模式,並且更改設計克服問題。最終發射昇空及回收,對這群充滿毅力的師生而言雖然是最重要的,也是這計畫最後一個實測試驗,但也就像前面所通過十來個實測試驗一樣,是找到失效模式並修正設計克服困難的一步,只是這是最大、最後的一步而已。

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計畫主持人
江士標:機械系與光機電所副教授,負責計畫規劃、系統工程設計。
蔡錫錚:機械系助理教授,負責回收艙機構設計。
參與學生
劉立業:機械所博一生,學生團隊工頭及電路軟硬體設計救火隊。
邱垂銨:機械所碩一生,負責機構設計。
李詠廉(阿公):光機電所碩一生,負責電源管理電路設計,總務及環測功能測試代表。
杜衍輝(豆花):光機電所碩一生,負責RF電路設計,並兼GPS天線與重要元件採購。
周崇仁(崇崇):光機電所碩一生,負責地磁感測器,並兼PC端模擬火箭控制電腦軟體設計。
嚴孝頤(球球):機械系光機電組大四專題生,負責回收艙作業系統設計,測控軟體設計,軟體測試代表。
陳宥任:機械系光機電組大四專題生,負責主副控微電腦硬體設計。
其他參與協助的學生:光機電所MVMC實驗室其他研一研二及大四大三專題生。


中大師生開發之控制電路與電池(開發中圖)


RF與GPS訊號耦合電路


探空六號回收艙外觀


學生自行開發的軟體,可即時在Google Earth上繪出回收艙經過的路徑