台灣學研界太空能量,零組件、火箭、衛星各有所長

作者 | 發布日期 2019 年 08 月 31 日 12:05 | 分類 天文 , 尖端科技 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


台灣太空產業正在起步階段,雖然人力、資金和他國相比相對不足,但產官學各界都在各自領域努力。學研方面,哪些機構正在打磨累積國內太空能量?

交通大學前瞻火箭研究中心

交通大學前瞻火箭研究中心(ARRC)致力於自主研發、製造台灣的運載火箭,在今年航太展展出了 HTTP-3A 混合式火箭第二節原型。火箭採用 4 顆 120 公斤推力複合式引擎,搭配推力向量控制系統(TVC)進行飛行姿態控制,另有飛行電腦、導引導航控制系統、通訊模組系統、電力模組系統與輕量化結構等協助飛行。

這艘火箭特別之處在於,傳統探空火箭利用尾翼使火箭旋轉(spin stabilized)讓火箭穩定飛行,衛星載具則普遍使用推力向量控制來主導火箭飛行的姿態與軌跡,而 ARRC 開發的 HTTP-3A 混合式火箭,是全世界第一個使用推力向量控制系統的混合式火箭引擎。

火箭的 120 公斤級可調式渦流複合式引擎,則使用高濃度過氧化氫(H2O2)與塑膠進行燃燒產生推力,此設計可有效增加氧化劑與燃料混合進而大幅提升推進效率。聽到火箭燃燒塑膠時,第一反應可能是不環保,然而事實剛好相反,ARRC 工作人員表示,純塑膠完全燃燒後會分解成乾淨的碳、氫,我們使用的塑膠之所以難分解,是因為多了許多添加劑。

第二節火箭前端之後將會放置科學酬載,進行高空實驗。

▲ HTTP-3A 混合式火箭第二節原型。

而 120 公斤級引擎只是基本款,ARRC 現場還展出了 400 公斤級推力 N2O 混合式火箭引擎,氧化劑為氧化亞氮(俗稱笑氣),燃料為塑膠,並且這是 1,000 公斤級引擎的前期研究。燃燒過程中,笑氣會進行自分解反應產生氮氣和氧氣,氧氣再與燃料進行燃燒,最後從引擎尾端的噴嘴壓縮噴出,產生推力。

除了火箭,ARRC 也自主開發高動態雙天線 GPS 接收器(如首圖)和立方衛星。GPS 接收器用來確保火箭在經歷滾轉運動、高 G 值加速度運動時仍能正確定位,目前加速度 30G 與旋轉速度 4rps 接收器的開發工作已大致完成,實驗結果顯示接收器可在載具以 0.4rps 旋轉速度下鎖住衛星訊號盡行定位。

衛星則是內部搭載量子通訊設備的 5U 立方衛星,實驗數據將經由通訊模組傳回地面基地。

虎尾科技大學明年發射衛星

自馬航失事後,美國聯邦航空總署(FAA)要求所有飛越美國境內上空的飛機都需加裝 ADS-B 飛機發報器,確保飛機位置可被地面接收站隨時追蹤監測;除了美國,歐盟、澳洲等都在跟上這股國際趨勢。

虎尾科技大學團隊研發出 NutSat 立方衛星,就是用來接收飛機 ADS-B 訊號的儀器。該衛星軌道預計飛在離地 500 公里高的太陽同步軌道,衛星傾角 55 度,只要有飛機經過衛星下方,衛星就能接收 ADS-B 訊號,然後回傳至地面基地站。

預計明年第三季 NutSat 衛星將發射升空,而火箭屆時會先攜帶其他有效載荷抵達國際太空站,回程時才釋出 NutSat 衛星,代表 NutSat 得先隨其他載荷停留在外太空一段時間,承受不一般的輻射與溫度變化,虎尾科技大學飛機工程系航空電子組助理教授呂文祺表示,衛星的鋰電池已通過太空中心的抗輻射測試。

▲ NutSat 衛星原型。

中央大學自主研製「飛鼠號」衛星

中央大學團隊耗費 3 年時間,設計並自製出電離層探測 3U 立方衛星「飛鼠號(IDEASSat)」,包含電力次系統、衛星電腦、科學酬載小型電離層探測儀(CIP)等,預計 2020 年中自印度發射升空,軌道傾角 97.41 度。

團隊亦開發衛星搭載的高光譜儀科學任務,整合現有地面接收系統,可提供高時間高空間解析度的空污監測能力;整合高光譜儀資料與其他相關衛星資料後,可以再匯入大氣預報模式,進行 PM2.5 監測與預報。

除了衛星儀器,團隊也發展太空零組件如:隼拓型光纖陀螺儀,內部核心元件為多功能積體光學晶片(MIOC),能精準量測地球自轉、衛星自旋,並且將核心元件成本降低 34%~56%。

中山科學研究院

做為國內國防科技研發機構,中科院於今年航太展亮出各種吸睛國防設備,但除了國防科技,中科院也致力於太空精密元件,比如之前獲選 NASA 前 25 大最具潛力計畫的 SG100 太空電腦。

衛星方面,中科院展出了星象儀、慣性量測儀、反應輪、磁力矩儀等零組件。星象儀(Star Tracker)與慣性量測儀(Inertial Measurement Unit)就像汽車的 GPS,前者提供太空載具或衛星系統精準姿態訊息,後者由 3 枚光纖陀螺儀與 3 枚微機電加速儀組成,用以感測載具的旋轉軸向角速度及線性軸向加速度。

反應輪(Reaction Wheel)和磁力矩儀(Magnetic Torquer)則像汽車方向盤,前者是衛星姿態控制系統的重要元件,主要使用於太空載具的三軸姿態控制和姿態穩定,藉反應輪角動量之輸出,提供高指向精度;後者由含鐵芯的電磁線圈組成,被磁化的鐵芯產生一個磁偶極,與環境磁場(通常是地球磁場)相互作用,廣泛使用於衛星三軸姿態控制、止翻滾、穩定等用途。

(圖片來源:科技新報)

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