「ARRC前瞻火箭」吳宗信:一個人作夢只是空想,一群人作夢,夢想就會實現

「ARRC前瞻火箭」吳宗信:一個人作夢只是空想,一群人作夢,夢想就會實現
我們想讓你知道的是

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!」

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發射現場:旭海大火箭試射地

組裝演練完畢之後,終於迎來了最終發射的日子,從新竹到屏東旭海的發射地,車程足足8小時。團隊試射大火箭HTTP的地點,鄰近阿朗壹古道與九鵬軍事基地,依山傍海。成員們在這裡頂著狂風,從黎明到薄暮進行一連串工作:整地、豎立發射架、組裝火箭、上架、測試系統、灌燃料、航電聯測等等,直到最後發射火箭。

雖然發射只是短短幾分鐘的事情,但整個發射準備過程,卻足足花了三四天才完成。成員們在試射地一步一步的組裝起火箭,也一步一步地朝夢想前進,最後為火箭別上幸運物,在火箭上放上所有人的心願!

整地和豎立發射架是最先要搞定的工作,屏科大成員比其他團隊早了四天到旭海,用水泥塊在凹凸不平的海邊鋪出一塊平整的地板,接著就地銲接、組裝那雙塔式的白色發射架。發射HTTP-3S時剛好遇到鋒面,旭海鎮日颳著強風,為避免強風或其他因素導致發射架升起未達指定位置,兩個學生扣上安全索,爬上六公尺高的發射架,檢查安全設備與定位裝置。

其他各組人員一到民宿基地,井然有序的各司其職,房舍外的走廊散布好幾箱機械,桌上五六台電腦同時運作,一旁成員正調整控制火箭馬達轉動角度的編碼器。原本是烤肉區的空地放著火箭中間部分,靜待成員把白色字樣完整噴上橘色箭身,最後完工的火箭上漆著「HTTP」、「ARRC」、「前瞻火箭」,客語及台語羅馬拼音的「火箭」字樣(Fo'-Chien;Hoe-Chin)。

火箭前端尖頭部分稱為鼻錐,是放酬載(執行科學探測任務的儀器)的地方。此次HTTP火箭多了乘客─「罐頭衛星(CanSat)」。中央大學太空科學研究所助理教授張起維率領學生自製罐頭衛星,此次搭載的「阿亮二號」測試高空訊號收發,內建的GPS也可協助火箭回收。

組裝火箭一點都不簡單。除了細心確認感測系統、航電系統、推進力系統等環環相扣的零組件在組合後是否仍正常運作、有效接收指令,也須準確掌握周圍環境狀況,這次的大風就是個不利因素。在其他人忙著組裝火箭的同時,中央大學小組則在一旁用探空氣球與經緯儀測風速,若風速大於每秒十公尺,一些活動便必須暫停。

另外,基於安全因素,火箭的儲存槽盡量別長時間承受壓力,為火箭灌入笑氣的時程必須由發射時間往回推,如果在清晨發射,灌氣時機就定在前一天傍晚。這時大家會退到離火箭二三十公尺遠的空地邊界,席地圍坐著吃便當,一邊監看電腦螢幕轉播灌氣過程。笑氣從鋼瓶流入火箭中的壓力容器,電子計監測著鋼瓶重量,紅色數字跳動著,當重量減輕20公斤後,就表示鋼瓶內的笑氣已空,該換另一瓶了。如此換了五瓶,一般大約需要耗時兩到三個小時才能完成灌氣程序。

要監控火箭的「健康狀況」可以透過天線無線傳輸,或以線路連接火箭與航架,那線路被貼切的暱稱為「臍帶」(umbilical cord),在準備過程中,載具與發射台透過臍帶溝通傳輸各式電子訊號,接收到最後一道發射指令後,火箭將會脫離發射架一飛衝天。

HTTP-3S_發射準備2 ARRC

做完最後一次航電聯測,確認所有零組件運作正常,接上點火器。發射架搭載著火箭緩緩升起,13公尺的發射塔矗立在清晨陽光下,吊車將一塊0.7公分厚,避免火焰直接燒到桁架的「導焰板」置於火箭下方,一切蓄勢待發,終於來到正式發射這一刻!

方圓300公尺內人員淨空,只留下團隊執行主要任務的成員,觀摩火箭發射的群眾必須在離火箭500公尺以上的距離觀看。成員們則分五處通訊站駐守,在地面上離火箭發射點約50公尺處的涼亭設有一通訊站、安檢所的頂樓與地面各一站、試射處直線距離1公里與4公里處左右各有一站,同時接收火箭傳下的訊息,比對通訊狀況。大家戴上安全帽、護目鏡、耳罩或耳塞,將手機設為飛航模式,無線電也關閉,悄聲倒數。

「十、九、八⋯⋯四、三、二、一!」長6.3公尺、直徑40公分、重300公斤的單節火箭HTTP-3S尾端冒出滾滾白煙,隨即噴出橘黃色火焰,在一聲厚實的長嘯與群眾驚呼中,火箭拖著長長尾雲,藉1,000公斤重的推力逆風往東北破空而去,幾秒內就消失為遠方天際的一個小點。ARRC成員和老師們終於卸下幾天來的緊繃態度,笑著大吼大叫。

不過,短暫沉浸於成功發射的狂歡後,又開始忙著檢查火箭飛行時回傳的資訊狀況了。火箭的速度非常快,沒幾秒鐘肉眼就看不到了,如果天氣不夠好,火箭飛到雲層以上,就算用望遠鏡也很難看到火箭。這時候銘傳大學團隊負責的「即時顯示系統」就非常重要。在飛行過程中,火箭上的感測器會量測火箭的姿態、GPS、轉動速度以及火箭目前正在執行的動作等等,並透過通訊系統,將飛行數據傳回地面接收站。讓大家知道火箭的狀況,還有火箭可能落下的地點,以便進行回收,只可惜這次的試射因為風浪太大而無法進行回收。

一次的試射,ARRC全部會動用到三四十個成員,他們不一定彼此熟識,但都為了同一個目標努力著。在發射現場,通常由學生主導,老師們旁觀,偶爾才提點一下,確認細節。對團隊成員而言,成功發射意味著下一個里程碑的開始!

一起飛向太空!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公斤以下的「微衛星」!

國際上將衛星依重量分類:

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。

HTTP-3S_發射準備3 ARRC
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!」

HTTP-3S_發射合照 ARRC
番外篇:耀眼的太空橘團隊

ARRC全員穿上橘色的連身工作服,與工地安全帽、火箭、發射架、工作帳篷的設計搭配成套,帥氣與識別度兼具,也令人聯想同樣講述太空夢的漫畫《宇宙兄弟》。ARRC的整體品牌相當突出,這一系列團隊標誌與視覺設計,全由退休航太結構工程師蘇芝萌一手打造。

蘇芝萌1995年撰寫了台語與客語的文書軟體,當時吳宗信與友人推動「5%台譯計畫」,每個人每月捐5%的時間或薪水,將《動物農莊》等世界名著翻成漢字或羅馬字拼音的台文和客語文,就是用蘇芝萌寫的軟體,兩人因此結識。「2008 年我聽他要作火箭,馬上拍胸脯跟他說,我包下你們團隊的品牌設計!」

只是當時吳宗信想低調一點,直到2013年,ARRC團隊成形後才又拜託他。

蘇芝萌對許多領域都有興趣,品牌是其中之一。「品牌也是一種科學。」他說,建立品牌,最重要的是關鍵字,名字要簡潔酷炫!

此外,必須嚴格要求規格一致,這表現在許多細節。工作用品的頭盔、工作服、帳篷、火箭與桁架要統一用橘色與白色搭配,市面上沒有橘色帳篷,蘇芝萌就自己找廠商裁剪橘色布料、貼上「ARRC」字樣後套上帳篷;成員要出席展覽,蘇芝萌都會寫一份穿著的規格書,建議成員遵守,讓每個積累起來的品牌印象整齊一致。

蘇芝萌也自認很龜毛,像電腦模擬畫面中,字幕大小寫不統一、模擬火箭身上「ARRC」不是設計字體(而是電腦內建的黑體之類),他就會立刻寫修正意見;而在發射現場,他也會將垃圾、雜物移開,以免鏡頭拍攝到,干擾影像畫面的整齊美感。

火箭箭身漆上客語及台語羅馬拼音的「火箭」字樣(Fo'-Chien;Hoe-Chin)也出自他的堅持。

品牌要求「原味」,如果沒有自己的名字、自身語言的表述方式,「這族群根本不存在,遑論品牌。」

書籍介紹

科學築夢大現場1:一起離開地球上太空!ARRC自製火箭》,親子天下出版

作者:劉珈均、魏世昕、ARRC前瞻火箭研究中心

別看到美國太空總署發射火箭就覺得羨慕,臺灣可是有一群穿著閃亮太空橘工作服的老師和學生,正為了飛上太空的夢想邁進。

因為彼此有著共同的夢想,在國家太空中心與企業的資助下,成立ARRC前瞻火箭研究中心,期望有天能打造出太空火箭,不但要發射自製衛星、甚至還能載人上太空。

橫跨臺灣多所學校的教授與研究生,靠著自學、YouTube影片與動手實做;從鐵工廠、材料行和布莊找尋各種材料,再到實驗室、工寮內一步步親手製作加工,將maker精神發揮到極限,展現火箭一飛衝天的勇氣。

一起離開地球上太空-立體書封
Photo Credit: 親子天下出版

責任編輯:翁世航
核稿編輯:楊之瑜