帶你去浩瀚的宇宙探險-認識火箭

  • 與談人:
    國研院太空中心 吳明仁 博士
  • 時間:05/19(四) 14:00 ~ 15:00
  • 地點:南港展覽館 6 樓 616 室



什麼是「人造衛星」(Satellite)?

在天文學中,繞著「恆星」(如:太陽)運轉的星球稱為「行星」(如:水星、金星、地球、火星等),而繞著行星運轉的星球稱為「衛星」(如:月亮);因此由人類所設計製造,靠火箭或太空梭送入太空中繞著地球或其他行星運行的飛行器,我們便稱之為「人造衛星」。


衛星為什麼可以繞地球運行不會掉下來?

月球繞行地球其而不會撞向地球,也不會飛向外太空,主要的也是向心力(月球和地球間的引力)和離心力(月球繞地球運行)保持平衡的緣故。人造衛星也是如此運行方式,這就是牛頓的萬有引力,簡單的說:地球上空的物體,只要繞地球的速度夠快,就不會掉下來;這個繞行的速度也不能太快,太快了又會飛離地球,所以說,月球繞地球的速度是「剛剛好」。


第一顆人造衛星是何時發射的?

蘇聯於1957年發射人類史上第一顆人造衛星:史撥尼克號(SPUTNIK)。

人造衛星有那幾類?用途為何?

人造衛星的優點在於能同時處理大量的資料及能傳送到世界任何角落,使用三顆衛星即能涵蓋全球各地。依使用目的,人造衛星大致可分為下列幾類:

  1. 科學衛星:送入太空軌道,進行大氣物理、天文物理、地球物理等實驗或測試的衛星,如:福衛一號。
  2. 通信衛星:做為電訊中繼站的衛星,如:亞衛一號。
  3. 軍事衛星:做為軍事照相、偵察之用的衛星。
  4. 氣象衛星:攝取雲層圖和有關氣象資料的衛星。
  5. 資源衛星:攝取地表或深層組成之圖像,做為地球資源探勘之用的衛星。
  6. 星際衛星:可航行至其他行星進行探測照相之衛星,一般稱之為「行星探測器」,如:先鋒號、火星號、探路者號等。

人造衛星必需具備那些基本構造?

  1. 人造衛星必需承受火箭發射時的高加速度以及支持酬載與元件的安裝,所以必需要有一適合使用的「結構體」。
  2. 為避免太空中高低溫的差別而導致電子儀器的損壞,所以人造衛星必需有「熱控系統」以控制各部位的溫度。
  3. 人造衛星在運行中會逐漸偏離軌道,必須要有「噴射推進系統」以內藏的小型引擎推動衛星做軌道修正。
  4. 為保持預定的位置及指向,人造衛星必需要有「姿態控制系統」以控制衛星的轉向。
  5. 人造衛星需要「電力系統」以提供各種儀器裝備的能源,通常電力系統包含太陽電能板及電池。
  6. 人造衛星必需要有「通訊指令系統」以保持與地面的通訊聯絡及接受地面控制人員的操作指令。


衛星如何由地面送到軌道運行?

衛星是由發射載具(較大型的火箭)送到軌道,發射載具的任務為提供衛星足夠的速度、高度及適當之入射角度,將其送入預定的飛行軌道。發射載具在上升的過程中,克服了地表的空氣阻力與地球的重力加速度,依據預先設計好的彈道軌跡、導引率與發射時序,分數階段如:脫節、開艙、衛星與入軌火箭脫離到達預定軌道,如圖所示。

衛星如何入軌?

對於低地軌道(LEO)衛星而言,依據火箭的飛行時序,有兩種不同的入軌方式,一、直接入軌:各節火箭依序連續燃燒加速,直到最後一節火箭燃畢點速度等於衛星軌道速度,二、間接入軌即具有中間自由飛行段的入軌:火箭在第一動力段結束後,進入無動力的自由飛行段,之後最後一節火箭點火燃畢,火箭終端速度等於衛星軌道速度,此二種入軌方式,如圖所示。

火箭有幾種型態?

世界各國可用來發射人造衛星的火箭種類甚多,但大致可分為「可回收」及「不可回收」兩類。一般直筒型垂直發射的火箭多為不可回收型。太空梭因可重複使用,故屬回收型的火箭。

火箭推進系統可以分成三種類型,第一種是液態火箭、第二種是固態火箭、第三種是混合式火箭,如圖所示。在安全性、分段使用性或推進效率方面各有其優缺點。

若以安全性來考量,由於混合式火箭燃料與氧化劑採不同狀態分離儲存方式,因此在製造或是發射過程當中較液態或固態火箭安全,適合學校發展。由於其安全性較高,以安全為優先考量的太空旅行任務,世界上第一架商用太空旅行載具(SpaceShip-2)也是採用混合式推進系統。

若考慮火箭推力分段使用性看,液態火箭與混合式火箭優於固態火箭,因為固態火箭一旦點火,很難停止燃燒再點火。液態火箭與混合式火箭可以多次襲火再點火。

若是以推進效率來考慮,液態火箭效率高於混合式火箭以及固態火箭,然而過去彈道飛彈的發展是以固態火箭為主,在整個火箭技術發展的過程當中,混合式火箭較不受重視,因此目前衛 星發射載具或探空火箭仍是以液態或是固態火箭為主。


我國的火箭發展有何特色?

我國的火箭發展早期是以小型防衛型飛彈為主,先固態火箭然後再發展液態火箭。

近年來,國家太空中心與國內學術界合作在火箭研究方面,提出提升混合式火箭效率的方式,並進行多次發射任務。本研究以兩項發明專利達到技術突破,Isp達292秒,超過傳統固體及混合燃料火箭的性能,此雙渦流混合技術已獲得專利,這將使得未來混合式火箭與液態或固態火箭相比,更具競爭力。此外,多領域探空火箭性能驗證模擬分析,包括:推進系統、空氣動力、結構動力、飛航導控、任務分析、遙傳通訊及飛行系統視覺化模擬系統等為系統優化的關鍵能力,如下圖所示HTTP-3S發射、火箭發射、ARRC Rocket for NI-2等。

探空火箭與發射載具有何不同?

探空火箭又稱為次軌道載具,因能量較小僅能將物體送到一定的高度,由於速度不夠縱然有高度還是無法在軌道上取得平衡,發射後不久便重返地球,因為不能完成一圈軌道的運行,所以稱為次軌道。探空火箭與衛星發射載具最大的差別在於火箭推進能量的不同,後者能量很大,不僅可以將物體送入高空,並提供足夠的速度使得物體可以繞地球運行,而前者探空火箭是一種可以搭載科學儀器量測大氣狀態的火箭,或是更一般化的定義,它是一種搭載各項科學儀器進行高空科學實驗的火箭,例如:電離層量測與微重力實驗等。在微重力環境下進行的科學實驗有很多,例如:微重力對流體運動或是燃燒的影響等。


吳明仁 博士 簡介

國家太空中心研究員

學歷:美國喬治亞理工學院太空工程研究所博士

經歷:工研院能資所研究員

專長:探空火箭、發射載具、高空太陽能無人機系統

受阿波羅登月計畫鼓舞, 吳老師從小就立志到美國學習航太科技,畢業後因緣際會國內剛好成立太空中心,回國效力貢獻所學。曾經負責在美國把福衛一號、二號、三號總共八顆衛星送上軌道的發射作業,也在國內從事探空一號至探空十號科學探測任務,目前與學術界共同開發混合式火箭。