台湾探空火箭
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台湾探空火箭为中华民国政府“太空科技长程发展计划”项目下投资开发的火箭，由国家太空中心主导，目前已进行10次探空火箭发射任务。
在第一期与第二期太空计划中，为减少成本，由中山科学研究院开发的既有火箭改良，进行高度50至300公里（中气层至热层）的科学研究。所采用有效方法省除引导及控制系统，火箭采自由动弹射方式，以气动力翼翅或裙状外型（Flane）使气体重心位于中心后，以保持火箭稳定飞行。
台湾探空火箭计划，自1997年至2003年共发射了3次，第2期长程计划中计划在2004年至2018年发射7次探空火箭。从2019年开始的第三期太空计划则委托民间厂商晋升太空科技股份有限公司和大专院校开发探空火箭，预定在2020年进行发射任务。
技术诸元
[编辑]发射纪录
[编辑]| 次别 | 发射日期（西元年-月-日） | 有效载荷 | 结果 |
|---|---|---|---|
| 1 | 1998年12月15日 | 无，搜集温度及震动资料 | 成功 |
| 2 | 2001年10月24日 | TMA （Tri-Methyl Aluminum，三甲基铝）科学有效载荷，进行电离层E层（80~150公里）大气中性风场及乱流参数测量 | 否，未达预定高度落海 |
| 3 | 2003年12月24日 | TMA （Tri-Methyl Aluminum，三甲基铝）科学有效载荷，TMA燃料释放、火焰轨迹影像 | 成功 |
| 4 | 2004年12月14日 | 光度计、GPS（全球定位系统） | 成功 |
| 5 | 2006年1月18日 | 离子探测仪、三轴磁力计 | 成功 |
| 6 | 2007年9月13日 | 回收舱回收实验 | 成功 |
| 7 | 2010年5月5日 | 等离子探测仪 | 成功 |
| 8 | 2013年6月5日 | 过氧化氢单组元推进系统、科学仪表回收舱 | 成功 |
| 9 | 2014年3月26日 | 太空等离子量测仪 | 成功 |
| 10 | 2014年10月7日 | 电离层探测仪表 | 成功 |
探空一号火箭
[编辑]探空一号火箭于1998年12月15日顺利执行飞试，此次飞试并无搭载任何科学有效载荷。飞行测试中搜集到各项温度与振动资料，成功达成各项测试目标。
探空二号火箭
[编辑]为回应台湾学术界与国家太空中心需求，于探空一号火箭飞行测试完成后，原备份火箭提供大学作科学或工程研究载具。国立中央大学于1998年10月获国科会补助，与美国克莱门森大学（Clemson University）物理系合作发展TMA（Tri-Methyl Aluminum，三甲基铝）科学有效载荷，进行电离层E层，高度80至150公里范围内大气中性风场及乱流参数之量测。
探空二号火箭比探空一号火箭多装TMA有效载荷，并预定在飞行途中释放TMA。于2001年10月24日凌晨发射，发射后12秒，因第二节未能依照预设指令点火而失去上升推力，火箭未达预定高度而提早落海。此次火箭实际飞行时间114秒，因第二级火箭未点火成功，故预计于59秒时进行的TMA释放动作即被终止。
探空三号火箭
[编辑]探空三号火箭仍以TMA做为科学有效载荷，希望以相同之有效载荷界面来验证探空二号火箭飞行失效原因，已确实被掌握并获得改进。火箭于2003年12月24日发射，火箭最大高度约265公里，飞行约508秒后落海，射程约180公里。此次任务成功，火箭飞行途中之TMA喷释、TMA火焰断、续及焰迹持续扩散等TMA火焰轨迹影像，均为科学团队所摄得。
此次科学实验系利用在半导体业十分常见的三甲基铝液体(简称TMA)易与空气中之氧气和水汽起燃烧作用的特性。TMA科学实验结果有助于了解台湾上空的大气与太空动力现象。探空三号火箭科学实验成为全球首次在低纬度地区执行电离层中性风的测量研究。
探空三号火箭所携带的TMA科学实验有效载荷，灌有约3.1公斤TMA液体，依照原先规划于火箭发射后59秒，离地约80公里高处，开始释放TMA液体，并以喷1秒停2秒的方式持续释放TMA液体至约200公里高度。实验目的为探讨台湾上空80至140公里高空电离层的中性风及乱流现象。TMA在高空中由火箭释出后，将由设在地面的三套高性能数码照相机追踪TMA火焰尾迹，而利用三角测量法可以得到TMA尾迹随时间漂移的情形，进而推算出不同高度的中性风风速与位置。此次地面观测地点设置于高雄县树德科技大学，台东县国立成功商业水产职业学校，以及屏东九鹏发射基地。
TMA科学有效载荷仪表：TMA容器本体、爆冲阀、控制阀、TMA填充阀与安全阀、TMA填充管、电路界面、喷气器、压力计。
探空四号火箭
[编辑]探空四号火箭承载“光度计”及“GPS”两项有效载荷，进行台湾上空之科学实验。光度计有效载荷为国立中央大学提供，进行高度70-250公里间之大气气辉现象量测；GPS有效载荷由中央研究院与成功大学提供，进行火箭全程轨迹量测，并提供光度计有效载荷所需之火箭高度资料。火箭于2004年12月14日 晚上 10:30执行飞行测试，圆满成功。GPS全程锁定；光度计亦于试验高度获得所需资料。
此次任务目标：以光度计观测台湾上空90~300公里大气绿色辉光(557.7 nm)强度与分布。GPS 接收机高速运动及太空环境下之性能验证，地面同时进行DGPS量测，并提供大气观测飞行路径即时精密数据。探空火箭新增功能之展示验证，包括有效载荷视窗、资料遥传等。
探空五号火箭
[编辑]探空五号火箭承载“离子探测仪”及“三轴磁力计”两项主要有效载荷，进行台湾上空科学实验。其中离子探测仪是由台湾国立中央大学与日本大阪市立大学合作研制，用于量测离地82到282公里高度之间太空环境的等离子密度与离子温度。磁力计则是用来量测进行实验时火箭的姿态变化。为配合此次科学实验，中山科学研究院火箭的设计，成功地加上了鼻锥罩开启功能及其所需的机构设计。同时，为了掌握最佳的发射时机，中大架设了地面电离层雷达，进行观测电离层不规则体分布的状态。这次的探空任务也同时规划了福卫二号，进行台湾上空气辉的联测，以作为电离层量测的参考。探空五号火箭于2006年1月18日19时48分点火发射，进行飞行测试，圆满完成科学实验。到目前为止，在国际上尚很难找到针对特定的电离层不规则体事件，同时利用探空火箭(量测等离子密度与离子温度垂直分布)，地面雷达(定出不规则体位置以及三维结构，并观测漂移速度)，以及人造卫星(观测气辉)进行共同观测的先例。
此次任务目标：发射前数天，以电离层观测雷达，获得实验场上空电离层不规则体分布的状态及其变化，用于决定适当的发射窗。火箭发射升空，58.2秒，82公里，鼻锥罩开启。以离子探测仪量测台湾东南海面上空82到282公里之间的等离子密度与离子温度。以磁力计全程记载有效载荷舱的三轴磁场变化量。福尔摩沙卫星二号通过台湾西方的轨道时，以斜角观测台湾上空的气辉现象。飞试后，继续两天的地面站电离层观测。
发射时序：
| 时间(T) | 距地表高度(公里) | 火箭动作 |
|---|---|---|
| T=0 | 0 | 19:48火箭发射 |
| T=6 | 1.9 | 第一级火箭脱离 |
| T=12 | 5.3 | 第二级火箭点火 |
| T=42 | 51 | 第二节燃毕,稳定滚转 |
| T=58.2 | 82 | 鼻锥罩开启 |
| 电离层探测 | ||
| T=270 | 282 | 有效载荷达最高点 |
探空六号火箭
[编辑]国家太空中心探空六号火箭于2007年9月13日13时50分在九鹏基地发射升空，执行单组元燃烧推进及回收舱两项科学实验。由成功大学及国立中央大学团队分别负责设计制造的这两项有效载荷，搭乘中山科学研究院所研制的2节探空火箭升空，于6秒后第一节完成燃烧推进及脱节的动作，12秒时点燃第二级火箭，43秒时第二节燃毕，约58秒时执行鼻锥罩的开启，接着从136秒到218秒执行单组元燃烧推进的实验，这项实验的数据资料，经由遥传链路即时地完整下传。之后火箭借由惯性的能量继续爬升，于270秒时到达约280公里的最高点。
当火箭回降到100公里高度时(约发射后417秒)，位于火箭前端的回收舱，即经由分离机构的启动而被弹开与火箭分离。根据飞行时序设计的步骤，火箭本体重返大气后，会翻转成头向下的飞行姿态落海。
分离后的回收舱，由于其外型与重心的设计，其大钝头自然会以朝下的姿态下降，随后逐渐减速并执行开伞落海的动作。回收舱在下降过程所量得的数据资料，由内建的记忆体储存，待回收后再行下载分析。在回收舱落海后，空军的海上搜救S-70C直升机即由绿岛起飞出发，循由回收舱所发出的搜救无线电讯号的方向，前往预估的落海点附近，进行搜寻与回收的作业，经过了约100分钟的搜寻，结果尚未寻获回收舱。
发射时序：
| 时间(T) | 距地表高度(公里) | 火箭动作 |
|---|---|---|
| T=0 | 0 | 火箭由台湾屏东国家中山科学研究院九鹏院区发射，第一节发动机启动 |
| T=6 | 1.85 | 第一级火箭脱离 |
| T=12 | 5.34 | 第二级火箭点火 |
| T=43 | 50.12 | 第二节燃料用尽,停止推进 |
| T=58 | 80 | 火箭鼻锥分离 |
| T=136 | 136 | 单组元燃烧开使推进有效载荷(推一秒停两秒) |
| T=218 | 280 | 单组元燃烧停止推进有效载荷 |
| T=270 | 282 | 有效载荷达最高点 |
| T=417 | 100 | 回收舱分离 |
| T=543 | 0(火箭本体) | 火箭本体落海 |
| T=626 | 3(回收舱) | 开伞减速 |
| T=821 | 0(回收舱) | 回收舱落海,回收 |
探空七号火箭
[编辑]原定2009年7月发射的探空七号火箭，延后至2010年5月初发射，此次任务耗费约新台币三千万元。这枚火箭于2010年5月5日19时50分发射升空，以约83.2度的仰角向东北东发射，该次任务主要执行执行电离层等离子不规则体与发生机制探测实验。火箭最前端的鼻锥罩放置国立中央大学的等离子探测仪及姿态计。[1]
第一级火箭推进加速至6秒后脱节，第二级火箭于发射后第12秒点燃，并于第42秒结束推进。发射后约58秒时，火箭的鼻锥整流罩分离，此时探空七号火箭的离子探测科学仪表开始执行量测，同时将科学资料经遥传系统下传到地面接收站。最后在第270秒到达最高点289公里的最高点后，开始返回大气并落入太平洋中，飞行过程提供科学实验的总时间长度约450秒，飞行距离总长约200公里。[2]
探空七号火箭规格：两节式，全长约8米，射高可达300公里、射程约100至300公里，为台湾第六枚全自制，总耗费约三千万元。
国立中央大学团队负责探空七号实验任务及科学有效载荷的设计与整合。探空七号火箭所搭载之科学有效载荷是由两个“离子补获计”（Ion Trap），一具“阻滞电位分析仪”（Retarding Potential Analyzer），一具“电子温度探测器”（Langmuir Probe），并搭配姿态量测计（Aspectmeter）与全球定位系统（GPS）所构成。是台湾探空火箭计划中，首次以六项有效载荷同时进行亚轨道科学实验。科学有效载荷的量测参数包括电离层等离子密度、离子温度、电子温度以及火箭飞行座标与姿态。
在地面观测设备方面，则包括位于九鹏的 30 MHz 与 52 MHz 特高频雷达各一座、位于中坜的 52MHz 特高频雷达与电离层观测仪各一座、福尔摩沙卫星三号三频标识（TBB）讯号接收机一具及高分辨率GPS接收机一具。所观测的参数包括电离层散块 E 层（Sporadic E ，位于88公里到144公里高度之间）与散状 F 层（Spread F ，位于144公里到384公里高度之间）电子密度不规则体的空间分布，以及人造卫星讯号的闪烁（Flickering）现象，助于进一步了解通讯干扰的程度。
探空八号火箭
[编辑]于2013年6月5日15时30分于屏东九鹏基地发射升空，于发射6秒后完成第一节燃烧推进及火箭脱节，12秒时点燃第二级火箭，43秒时第二节燃毕，从90秒到165秒飞试期间执行过氧化氢单组元燃烧推进的试验，于270秒时到达约279公里的最高点[3]。当火箭回降到155公里高度时，火箭前端的回收舱与火箭分离，最终落入太平洋。探空八号火箭采用无毒的过氧化氢为燃料，是世界首例。[4][5]
探空九号火箭
[编辑]探空九号火箭于2014年3月26号晚上9点34分于屏东九鹏基地发射，搭载先进电离层相关仪表升空，在台湾南部上空80到300公里间进行大气电离层动态量测，540秒后落入海中，成功传回数据、完成科学实验任务，也确保未来搭载在福卫五号上的仪表能顺利运作。[6]
航天中心资深研究员陈彦升说，福卫五号预计于2015年下半年发射，所有的设备都必须先行测试，这次探空九号火箭搭载先进的等离子探测仪及等离子阻抗分析仪等仪表升空，未来这些仪表将组装为“先进电离层探测仪”后放在福卫五号上。探空九号火箭昨晚升空后，飞到286公里最高点，并成功传回数据，也代表仪表未来在卫星上可成功运作，此次科学实验任务成功。
国立中央大学地球科学院长朱延祥说，台湾位于近赤道的低纬度地区，上空受到“赤道等离子喷泉效应”影响，对于 GPS 使用者及其他卫星通讯都可能产生很大影响，包括讯号中断，探空九号火箭装载更先进的等离子量测仪，可持续研究台湾上空电离层的产生机制。
探空九号火箭科学有效载荷－太空等离子量测仪（Space Plasma Sensor Package, SPSP）由国立中央大学空间科学研究所制作，包含一具等离子阻抗分析仪（Plasma Impedance Analyzer, IMP）可量测电离层电子密度，一具阻滞电位分析仪（Retarding Potential Analyzer, RPA）可量测离子温度，一具离子流向仪／离子捕获仪（Ion Drift Meter/Ion Trap, IDM/IT）可量测离子速度与密度，与一具平面等离子探针（Planar Langmuir Probe, PLP）可量测电子温度。其中 IMP 与 IDM 为首次登上我国探空火箭，而 RPA 与 IDM 则使用福卫五号（FORMOSAT-5, FM-5）科学有效载荷－先进电离层探测仪（Advanced Ionospheric Probe, AIP）相同的探测器。[7]
搭配中大自制的微机电姿态量测仪（Aspectmeter, ASM，安装有三轴加速计、陀螺仪、磁力计）和单轴光纤陀螺仪（Fiber Optic Gyroscope, FOG，其中关键元件－多功能积光元件（Multiple Integrated Optical Chip, MIOC），为中大光电中心制作）与中山科学研究院所提供的军用三轴光纤陀螺仪和全球定位仪（GPS），共同量测火箭的精准位置与姿态，协助科学资料分析所需。
与探空九号火箭配合的地面雷达系统主要架设在九鹏射场与台东太麻里工作站。九鹏射场仪表安装特高频 52MHz 雷达与 30MHz 雷达各一部、福尔摩沙卫星三号三频标识讯号接收机（Tri-band Beacon Receiver, TBB）等。太麻里工作站仪表安装 52MHz 雷达一部与福尔摩沙卫星三号三频标识讯号接收机。与台湾各地电离层探测仪与全球定位系统接收机共同观测 80-300 公里之间的电离层E域与F域之电子密度结构、电离层电子密度不规则体的垂直与水平分布、人造卫星讯号闪烁现象等。
探空十号火箭
[编辑]探空十号火箭于2014年10月7号上午11时10在屏东九鹏基地成功发射，搭载6项先进电离层相关科学仪表升空，520s后落入海中，在台湾南部上空90到286公里间完成大气电离层与热气层的动态量测，并传回数据，成功完成任务。[8]
探空十号于11:10发射，6秒后第一级火箭燃烧完毕并脱节，12秒时点燃第二级火箭，43秒时第二级火箭燃毕。火箭借由惯性继续爬升，50秒时启动滚转控制装置，使火箭滚转速率由每秒4转降至实验所需的每秒1.1转以下。[9]
58秒时高度达到82公里，此时鼻锥罩开启并脱离，科学有效载荷的蓝米尔探针、磁阻磁力计及离子能量分析仪依序启动及展开，搭配其他三项仪表包括国内首次研制与飞试的中性粒子分析仪，及与日本JAXA合作发展的磁阀磁力计及太阳姿态计，共同开始进行量测。
270秒时火箭到达286公里的最高点后开始下降，并于重返大气前完成此次科学量测任务，过程中所有科学资料，都经由火箭的遥传通讯系统即时下传至地面接收站，以进行后续的处理与分析。最后火箭在发射后520秒落入海中。
探空十号此次搭载的为包含六项先进仪表的电离层科学有效载荷，及国内首次研发的滚转控制机制。科学有效载荷测量火箭经过路径上的中性粒子、离子、电子与磁场数据资料，可以协助验证福尔摩沙卫星三号及七号分析大气资料的准确性；滚转控制机制则是以改变转动惯量方式，降低并精确控制火箭的滚转速度，以利科学有效载荷量测作业。
探十一先期研究-混合式火箭
[编辑]探十一先期研究于2009年由航天中心开始推动混合式火箭技术研发，与国立交通大学团队及国立成功大学团队合作发展，混合式火箭技术是最安全及最环保的火箭推进技术，为太空旅行业者（如Virgin Galactic）所使用，因此这项科技发展的未来产业应用潜力相当可观。在2010至2014期间，本研究计划共完成多次10到30公里高度的发射试验，工程科学实验包括飞行电脑、通讯次系统、GPS接收机、光纤陀螺仪及奈米级卫星等。这研究计划最重大的技术贡献是完成2项混合式火箭推进发明专利，使其推进效率增加20%以上（达290秒），且已接近主流液态燃料火箭发动机的效率，而制作成本只要液态燃料火箭发动机的10%以下，因此非常具有国际竞争力。另外，这混合火箭计划所研发成功的碳纤高压燃料筒技术，将来可应用于氢燃料车及太阳光电绿能产业中利用氢储存日间多余的电，于夜间燃料电池发电使用，这些相关技术的 Spinoff 应用，也将可实质上展现产业应用的效益。
2016年，国家太空中心向国内产、学、研界征求多功能火箭团队，有“多功能混合式探空火箭”和“前瞻型混合式探空火箭”，多功能混合式探空火箭由航天中心与晋升太空科技公司合作规划，以两年半的时间发展多功能混合式火箭系统，借此也逐步培育台湾民间新一代火箭工程、空间科学人才与育成新兴太空产业公司。此外，航天中心与学术界国立成功大学合作研制一具前瞻型混合式探空火箭，借由学术界研发能力以培养探空火箭相关之前瞻技术，预计2020年进行多功能混合式火箭发射，2021年进行前瞻型混合式火箭发射。[10]
其他
[编辑]前瞻火箭研究中心为国内学界探空火箭制作与研究的主要团队之一，其发展的APPL系列探空火箭使用“硝糖燃料”技术，HTTP系列探空火箭则使用国内领先的混合式燃料技术，是研发卫星运载火箭的重要技术，但现有政府计划经费已耗尽，目前转向民间募集，并预定于2021年挑战100公里，发射HTTP-3A火箭。
参见
[编辑]参考
[编辑]- ^ 探空七号 发射成功 （页面存档备份，存于互联网档案馆） 2010/5/6 自由电子报
- ^ 台灣第6枚 探空七號火箭發射升空研究電離層. [2013-06-12]. （原始内容存档于2012-08-30）.
- ^ 中華民國探空八號火箭飛試成功. [2013-06-12]. （原始内容存档于2019-06-29）.
- ^ 探空八号升空 台湾太空技术跃进 全球首起 无毒探空火箭发射成功 应用国土安全与救灾 全球创举！ （页面存档备份，存于互联网档案馆）2013/6/6 台视新闻
- ^ 探空八号升空 研发推进技术 （页面存档备份，存于互联网档案馆） 2013/6/6 中央通讯社
- ^ 太空中心探九火箭 發射成功. [2014-10-09]. （原始内容存档于2016-03-04）.
- ^ 國立中央大學太空酬載實驗室. [2014-10-09]. （原始内容存档于2014-10-15）.
- ^ 探空十号科学实验飞试成功暨亚轨道计划科学任务成果 （页面存档备份，存于互联网档案馆） NSPO / 2014/10/09
- ^ 台灣太空實力躍升 國研院探空十號飛試成功. [2014-10-10]. （原始内容存档于2014-10-19）.
- ^ 混合式探空火箭 （页面存档备份，存于互联网档案馆） NSPO
外部链接
[编辑]
