探空火箭計畫 │ 探空火箭任務

探空一號火箭任務:

探空一號火箭於1998年12月15日順利執行飛試,此次飛試並無搭載任何科學酬載。飛試中蒐集到各項溫度與振動資料,成功達成各項測試目標。

探空二號火箭任務:

應國內學術界與國家太空中心需求,於探空一號火箭飛行測試完成後,原備份火箭提供大學作科學或工程研究載具。中央大學於1998年10月獲國科會補助,與美國Clemson大學物理系合作發展TMA (Tri-Methyl Aluminum,三甲基鋁) 科學酬載,進行電離層E層,高度80至150公里範圍內大氣中性風場及亂流參數之量測。

探空二號火箭比探空一號火箭多裝TMA酬載,並預定在飛行途中釋放TMA。2001年10月24日凌晨發射,12秒時因第二節未能依照預設指令點火而失去上升推力,火箭未達預定高度提早落海。此次火箭實際飛行時間114秒,因第二節火箭未點火成功,故預計於59秒時進行的TMA釋放動作終止。

探空三號火箭任務:

探空三號火箭仍以TMA為科學酬載,希望以相同之酬載介面來驗證探空二號火箭飛行失效原因,已確實被掌握並獲得改進。火箭於92年12月24日發射,火箭最大高度約265公里,飛行約508秒後落海,射程約180公里。此次任務圓滿成功,火箭飛行途中之TMA噴釋、TMA火焰斷、續及燄跡持續擴散等TMA火焰軌跡影像,均為科學團隊攝得。

科學任務說明:

此次科學實驗係利用在半導體業十分常見的三甲基鋁液體(簡稱TMA)易與空氣中之氧氣和水汽起燃燒作用的特性。TMA科學實驗結果有助於了解台灣地區上空的大氣與太空動力現象。探空三號火箭科學實驗成為全球首次在低緯度地區執行電離層中性風的測量研究。

任務操作:

探空三號火箭所攜帶的TMA科學實驗酬載,灌有約3.1公斤TMA液體,依照原先規劃於火箭發射後59秒,離地約80公里高處,開始釋放TMA液體,並以噴1秒停2秒的方式持續釋放TMA液體至約200公里高度。實驗目的為探討台灣上空80至140公里高空電離層的中性風及亂流現象。TMA在高空中由火箭釋出後,將由設在地面的三套高性能數位照相機追蹤TMA火焰尾跡,而利用三角測量法可以得到TMA尾跡隨時間漂移的情形,進而推算出不同高度的中性風風速與位置。此次地面觀測地點設置於高雄縣樹德科技大學,台東縣成功商業水產職業學校,以及屏東九鵬發射基地。

TMA科學酬載儀器介紹:
(a) TMA容器本體(e) TMA填充管
(b) 爆衝閥 (f) 電路介面
(c) 控制閥 (g) 噴射器
(d) TMA填充閥與安全閥(h) 壓力計
成果照片:


中指環型TMA尾跡由屏東九鵬基地所拍攝,為火箭發射後約161秒釋放的TMA液體燃燒形成的火焰尾跡。
尾跡底部高度約為80公里,頂端約為110公里高。此尾跡在空中持續約達10分鐘。


由台東成功商業水產職業學校所拍攝TMA實驗的環型尾跡。

探空四號火箭任務:

探空四號火箭承載『光度計』及『GPS』二項酬載,進行台灣上空科學實驗。其中光度計酬載:由中央大學提供,進行高度70-250公里間之大氣氣輝現象量測;GPS酬載:由中科院與成功大學提供,進行火箭全程軌跡量測,並提供光度計酬載所需之火箭高度資料。火箭於2004年12月14日 晚上 10:30執行飛行測試,圓滿成功。GPS全程鎖定;光度計亦於試驗高度獲得所需資料。

任務說明:
  1. 以光度計觀測台灣上空90~300公里大氣綠色輝光(557.7 nm)強度與分布。
  2. GPS 接收機高速運動及太空環境下之性能驗證,地面同時進行DGPS量測,並提供大氣觀測飛行路徑即時精密數據。
  3. 探空火箭新增功能之展示驗證,包括酬載視窗、資料遙傳等。
任務操作概念:


光度計於第二節火箭燃畢後啟動高壓,執行觀測,直至火箭落海。因此於火箭上昇與下降過程皆可觀測到氣輝現象。


▲探空四號火箭發射實景

探空五號火箭任務:

探空五號火箭承載『離子探測器』及『三軸磁力計』兩項主要酬載,進行台灣上空科學實驗。其中離子探測器是由中央大學與日本大阪市立大學合作研製,用於量測離地82到282公里高度之間太空環境的電漿密度與離子溫度。磁力計則是用來量測進行實驗時火箭的姿態變化。為配合此次科學實驗,中科院火箭的設計,成功地加上了鼻錐罩開啟功能及其所需的機構設計。同時,為了掌握最佳的發射時機,中大架設了地面電離層雷達,進行觀測電離層不規則體分布的狀態。這次的探空任務也同時規劃了福衛二號,進行台灣上空氣輝的聯測,以作為電離層量測的參考。探空五號火箭於2006年1月18日19:48點火發射,進行飛行測試,圓滿完成科學實驗。到目前為止,在國際上尚很難找到針對特定的電離層不規則體事件,同時利用探空火箭(量測電漿密度與離子溫度垂直分布),地面雷達(定出不規則體位置以及三維結構,並觀測漂移速度),以及人造衛星(觀測氣輝)進行共同觀測的先例。

任務說明:
  1. 發射前數天,以電離層觀測雷達,獲得實驗場上空電離層不規則體分布的狀態及其變化,用於決定適當的發射窗。
  2. 火箭發射升空,58.2秒,82公里,鼻錐罩開啟。
  3. 以離子探測器量測台灣東南海面上空82到282公里之間的電漿密度與離子溫度。
  4. 以磁力計全程記載酬載艙的三軸磁場變化量。
  5. 福衛二號通過台灣西方的軌道時,以斜角觀測台灣上空的氣輝現象。
  6. 飛試後,繼續兩天的地面站電離層觀測。
酬載構型:

鼻錐罩開啟設計:

一般鼻錐罩開啟的設計可分為:向前脫頭式、 平行開啟式及貝殼開啟式三種。考量將來的應用性及較多可參考實驗文獻數據,探空五號採用了平行開啟式的設計。經過有系統的測試步驟,中科院完成了這項設計。

飛試過程


▲ 探空五號飛行過程,發射時間為19:48

探空五號火箭科學實驗的意義:
  1. 完成量測離地 82到282公里高度之間台灣上空的電漿密度與離子溫度。並確立地面雷達及電離層觀測站對探空五號科學實驗的貢獻與價值。
  2. 執行科學聯合觀測任務,以地面雷達搜索,探空火箭實測,人造衛星遙測。
  3. GPS接收機作為探空火箭制式配備,提供飛行路徑即時精密數據。
  4. 探空火箭新增鼻錐罩展開機構,並量測彈體內外之溫度、壓力、振動等飛行環境。

此次聯合觀測任務能實現,不僅開啟我國太空探測的一個新里程碑,對於進一步了解並發掘電離層不規則體的發生機制與相關特性,亦有極大的助益。


▲ 火箭與衛星聯合觀測任務電腦模擬


▲ 福衛二號高空大氣閃電影像儀於 1/16晚間 所觀測到的台灣上空氣輝


▲ 探空五號火箭發射實景

探空六號火箭任務:

探空六號火箭承載『回收艙』及『 N2H4 單基推進』兩項主要酬載,進行台灣上空飛行驗證實驗。其中『回收艙』酬載是由中央大學研製,『N2H4 單基推進』酬載是由成功大學研製。探空六號火箭於2007年9月13日13:50 點火發射,進行飛行測試,圓滿完成科學實驗。 探空六號火箭任務需求為在高度  136~270 Km 間,進行成功大學推進控制系統 (Reaction Control System, RCS) 之功能測試。 此外,另一需求為中央大學回收艙酬載之科學試驗,須於飛行全程中(高度 0 ~ 282 ~ 0 Km 間) ,進行地球磁力量測;另於火箭升空階段80公里高開啟鼻錐,並在重返 100 公里高處,同時起動開傘機構之計時器,回收艙酬載 GPS 資料訊號開始下傳,回收艙在下降過程所量得之數據資料,由內建記憶體儲存,待回收後再行下載分析。預定掉落於九鵬外海160 公里處,並於1~5公里高處啟動開傘機構,由九鵬測試場負責指揮回收作業。本次回收艙回收作業因直昇機支援作業、 航程 、 天候等限制而無法順利完成,為 任務中美中不足之處 。

任務說明:
  1. 由兩節式探空火箭,承載推進控制系統(Reaction Control System;RCS)酬載及回收艙(Recovery System;RS)酬載,於台灣上空進行相關科學實驗
  2. 火箭承載酬載時,於白天執行發射任務推進控制系統酬載(RCS):於高度136Km∼270Km間,利用連續式及脈衝式噴注方式,進行RCS之功能測試
  3. 回收艙酬載(RS):於飛行全程中(高度0Km∼282Km∼0Km間),進行地球磁力量測;同時於火箭最高點下降階段,進行酬載分離,並於落海時進行酬載回收,驗證RS諸項設計功能
  4. 火箭除需具鼻錐罩開啟功能外,另需具酬載脫離功能,奠定多功能探空火箭及發射載具發展基礎
酬載構型:

飛試過程:

探空六號火箭科學實驗的意義:

探六任務為歷年來技術最困難、支援項目最為複雜之一次任務,首次於白天執行發射任務。無論是火箭或是酬載完全國人自製。火箭驗證鼻錐開啟與酬載脫離技術。成大推進器酬載系統驗證太空飛行性能並量測1磅級推力輸出。中大回收艙酬載系統驗證太空飛行存活性並進行全程地球磁力量測。陸海空聯合作業打撈落海回收艙酬載。

探空七號火箭任務

我國探空火箭研究計畫邁向全新里程! 國家實驗研究院太空中心(以下簡稱太空中心)於2010年5月5日晚間7點50分,在屏東九鵬基地成功發射探空七號火箭,發射高度為289公里,射程210公里,其推力性能更超越歷次探空火箭任務。探空七號火箭於發射升空後,開始執行電離層不規則體科學研究,所獲之實驗數據將有助於進一步了解高空電離層變化對於通訊品質的影響。太空中心在第二期十五年太空科技發展長程計畫中,規劃執行次軌道科學實驗計畫,以探空火箭研究台灣上空的太空天氣物理現象,目標在於經由探空科學實驗的發展,達成探空科學任務的自主規劃、科學儀器的自主研製、提供太空元件發展飛行測試平台等,同時經由火箭關鍵技術的逐步提昇,奠定發展自主發射衛星的科技基礎。

任務說明:

台灣位處近赤道的低緯度地區,而低緯度地區電離層的最大特徵為其電漿結構因受赤道電漿噴泉(Equatorial Plasma Fountain)效應的影響,而形成所謂的電離層赤道異常區(Equatorial Ionization Anomaly)(下圖)。

電離層赤道異常區的電漿濃度是全球最大的,而台灣就位於該區域之下,因此電離層擾動對台灣的GPS使用者以及其他與衛星通信相關的國防、民生應用有很大的影響。尤其從傍晚至午夜之間,常有電漿密度不規則體產生,此不規則體的出現,將導致人造衛星與地面通信品質降低。由於電離層的變化會影響高頻電波的傳播,因此探空七號火箭正好協助我國科學團隊現場測量台灣地區上空電離層電漿不規則體的尺度與結構,有助於明瞭通訊干擾的程度。同時,所獲之實驗數據亦可與當天福衛三號的電離層量測資料相互驗證。

目前太空科學研究的探測工具,主要可分為地面觀測設備、探空氣球、探空火箭與人造衛星四種,各有其特點與限制,功能互補但無法互相取代。尤其在距離地表50~300公里的高空,探空火箭可蒐集到探空氣球與人造衛星所無法測得之科學資料;距地表50公里內,則屬於探空氣球量測的範圍;而在地表300公里以上的高空,人造衛星便是進行太空探測的最佳利器。

探七飛試過程及科學儀器:

探空七號是由一枚兩節式探空火箭,以約83.2度的仰角向東北東發射,由於具備鼻錐罩開啟的功能,使科學酬載在火箭進入電離層後,能正向迎風進行量測。探空七號在第一節火箭推進加速6秒脫節之後,第二節火箭於發射後第12秒點燃,繼續推舉火箭加速、並於第42秒結束第二節火箭的推進。發射後約58秒時,火箭的鼻錐整流罩分離,此時探空七號火箭的離子探測科學儀器開始執行量測,同時將科學資料經遙傳系統下傳到地面接收站。火箭約在第270秒時到達約289公里的最高點後,開始返回大氣並落入太平洋中,飛行過程提供科學實驗的總時間長度約450秒(下圖)。

中央大學團隊負責探七實驗任務及科學酬載的設計與整合。探空七號火箭所搭載之科學酬載是由兩個離子捕獲器(Ion Trap),一個阻滯電位分析儀(Retarding Potential Analyzer),一具電子溫度探測器(Langmuir Probe),並搭配姿態量測計(Aspectmeter)與全球定位儀(GPS)所構成(下圖)。是我國探空火箭計畫中,首次以六項酬載同時進行次軌道科學實驗。科學酬載的量測參數包括電離層電漿密度、離子溫度、電子溫度以及火箭飛行座標與姿態。

在地面觀測設備方面,則包括位於九鵬的30 MHz與52 MHz特高頻雷達各一座、位於中壢的52MHz特高頻雷達與電離層觀測儀各一座、福爾摩沙衛星三號三頻標識(TBB)訊號接收機一具及高解析度GPS接收機一具。所觀測的參數包括電離層散塊E層(Sporadic E ,位於88公里到144公里高度之間)與散狀F層(Spread F ,位於144公里到384公里高度之間)電子密度不規則體的空間分布,以及人造衛星訊號的閃爍(Flickering)現象,有助於進一步了解通訊干擾的程度。

探空七號火箭科學實驗成果:
  1. 利用離子探測器驗證福爾摩沙衛星三號量測所計算出之電離層電漿密度,以定量估計GPS掩星法反演計算之電離層電漿密度的正確性。
  2. 利用地面特高頻雷達,配合探空火箭電離層電漿密度之量測結果,研究電離層不規則體之特性以及其形成原因。
  3. 結合地面特高頻雷達之干涉法的觀測、福爾摩沙衛星三號三頻標識(TBB)訊號的閃爍現象,以及探空火箭所量得的電離層電漿密度之垂直分布,估算電離層不規則體的位置與漂移速度,以增進電離層對人造衛星通訊品質影響的瞭解。
  4. 透過電子溫度與離子溫度的量測,探討電離層不規則體中之電漿化學反應與背景電離層的差異,進一步了解電離層不規則體的發生機制與其熱力特性。