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為什麼台灣也要做探空火箭?讓台灣也擁有自主發射的能力!


為什麼台灣也要做探空火箭?讓台灣也擁有自主發射的能力!

親子天下出版《科學築夢大現場1:一起離開地球上太空!ARRC自製火箭》

台灣時間2017年8月25日凌晨2:50,首枚國人自主研發的衛星「福爾摩沙五號」(Formosat-5)於美國由 SpaceX 的 Falcon 9 火箭發射,進入 720 公里高的太陽同步軌道,以 99 分鐘繞行地球一圈的速度,執行 5 年的任務。這顆衛星重量為 450 公斤,八角柱形,高約 2.8 公尺、外徑約 1.6 公尺。福衛五號衛星的升空,代表了提升台灣太空研究的重大意義!不過你知道嗎?其實台灣也有自己的探空火箭,ARRC前瞻火箭研究中心為了打造出可以載送衛星入軌的火箭,讓台灣也擁有自主發射的能力,一直非常努力著!

火箭工程的願景

台灣有探空火箭,這種火箭載著儀器到太空蒐集科學資訊,隨即返回地面,全程只有十幾分鐘左右,能蒐集的資訊有限。衛星則能在地球上空繞行好幾年,不過,要載送衛星進入繞行地球的軌道,需要推力更大的火箭,台灣還沒有這種大型火箭,每當有自己的衛星要升空(如福爾摩沙衛星系列),都必須委託外國火箭公司發射。

ARRC的最終目的,就是打造出可以載送衛星入軌的火箭,讓台灣也擁有自主發射的能力!

雖然常聽到「科學無國界」,但太空科技容易與軍事用途掛勾,各國大多不願分享技術細節,許多國家還會限制出口火箭或衛星的關鍵零組件,加上台灣特殊的政治情勢,往往難以取得,自力研發就能掌握技術。

未來趨勢──微衛星和立方衛星

人造衛星有很多種,ARRC火箭的目標乘客是100公斤左右的「微衛星」!
國際上將衛星依重量分類:

(資料來源:太空中心)

目前地球軌道上有幾千枚人造衛星,自第一顆人造衛星問世以來,衛星愈來愈複雜、昂貴、設計耗時,要發射一顆衛星動輒得花新台幣幾十億(含衛星製造與火箭發射成本),幾乎得傾國家之力,執行重要的衛星任務才能達成。

不過,隨著科技的進步,人造衛星已經可以大幅縮小。過去大部份衛星皆運行在300~1400 公里的地球低軌道(Low Earth Orbit; LEO),最近出現衛星在100~300 公里的超低地球軌道運行(Very Low Earth Orbit; VLEO)。這有許多優點:繞地球一圈的時間更短,可以拍更多地球影像;同樣地面影像解析度需要的光學鏡片較小、資料傳輸的電力較少,製作難度也較低。但衛星身上需要小推進器,幫助克服非常稀薄的空氣阻力,以維持在固定軌道高度運行。

多顆微衛星還可以連結為「星系(Constellation)」,衛星彼此合作,執行觀測或通訊任務。比微衛星更小巧的「立方衛星」(CubeSat)近年愈來愈受歡迎,立方衛星大約1~10公斤,每個單元(1U)長寬高各只有10公分,可以多個單元組成一顆完整的立方衛星,體積像個玩具盒,其研發初衷便是希望獲得更多機會發射衛星。

以前使用衛星是少數科學家的「特權」,現在立方衛星的成本低廉、研發時間可以短至一年、有興趣的人都可以自己做衛星,進行科學實驗。NASA也曾發起競賽,讓獲選的立方衛星搭NASA太空任務的火箭便車發射升空,將立方衛星送上月球軌道。

發射的費用牽涉到衛星的尺寸、重量以及需要多大的火箭推進力,微衛星縮小到幾十公斤,發射成本就能降低幾十倍至上百倍。不過,衛星的成本降低了,相應的中小型火箭還很少,現在火箭主要運送大型衛星,發射成本仍相當高昂,小型衛星得等大衛星的發射機會才能「搭便車」一起升空,也無法任意選擇高度。

吳宗信認為,未來一百公斤以下的微衛星會成為主流,通訊、農業、環境監測,甚至商業投資,衛星都是得力助手。ARRC的目標與Space X類似,希望打造出低成本的火箭,彌補小型衛星的發射需求,讓探觸太空成為大眾普及的活動。

太空科技與日常生活

不少人對太空計畫的印象是「超級花錢」,但從另一個角度看,為了應付太空的嚴峻環境,太空科技綜合各領域知識,將技術推到極致,算是科技的「火車頭產業」,生活中有不少日常用品其實都得利於曾經「遠在天邊」的太空科技。

太空總署的科學家們從星體散發出的紅外線,估測該星球的「體溫」,同樣原理拿來量測人體耳鼓散發的微小能量,就變成了耳溫槍;行經寒冷高空或冰雪國度時,飛機結冰會導致失控,必須加溫必要管線和機翼前緣,這「除冰系統」也來自太空科技。

太空船上減輕太空人衝擊力道的「記憶海綿」,被廣泛作成床墊和枕頭,給許多人晚上一覺好眠;輕便的手持無線吸塵器是清潔屋子的好幫手,幾十年前,它是阿波羅任務的太空人用來蒐集月球岩石的工具;營養均衡對長途太空旅行很重要,NASA贊助研究中,一種提取自藻類的成分已普遍添加於美國90%的嬰兒食品中。

人類不易深度探索的崇山峻嶺、熱帶雨林、湖泊海洋,都靠衛星辦到,衛星空照圖不僅可大範圍探勘地表,記錄地貌變化,也常在災難之後拍攝即時影像,協助政府擬定應變計畫;打開氣象預報,就會看到衛星拍的雲圖,天氣預報所需要的觀測資料也靠衛星蒐集而來。

太空看似遙遠,數千種延伸應用早已深入人們生活。這些技術雖非直接來自火箭,但火箭是讓這些科技成真的關鍵力量,算是「帶領大家奔向理想」的角色。太空計畫的企圖心極其強烈,視野遠到地球之外,這股鼓舞人心的力量也是太空科技的特色。

當別人問起為什麼要做火箭,吳宗信總會提到,台灣只著重發展代工產業,幫國際科技大廠製造產品的零組件,但不能這樣長久下去,「學會做『系統』才是國家科技進步的動力!」以後是太空經濟的時代,台灣先天環境適合發射微衛星,技術能力也夠,ARRC要當開路先鋒。

「一個人作夢只是空想,一群人作夢,夢想就會實現。」吳宗信說:「阮要離開地球就對了!」

*本文摘自親子天下出版《科學築夢大現場1:一起離開地球上太空!ARRC自製火箭》,未經同意請勿轉載

作者簡介︱劉珈均

畢業於政治大學傳播學程,嚮往上山下海跑新聞。因緣際會跟訪ARRC團隊後,就不想離開科學新聞了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

作者簡介︱魏世昕

沒日沒夜小瘋狂,前瞻火箭研究中心研究生—魏世昕。從小喜歡動手做,可惜沒環境,對飛機、火箭從小就有很大的興趣。因為沒考上成大航太,陰錯陽差來到了交大土木,後來轉系,運氣又很好地搭上了吳宗信教授想製作火箭的順風車,從此踏上了不歸路。至今研發火箭已將近9 年,人生的1/3 都在做火箭,看過無數次的失敗和少數的成功。雖然很累,但是他仍認為,「能夠做自己有興趣的事真的很幸運」

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