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發展火箭工程 實現星際探索任務

文.圖片提供/王怡仁(淡江大學航空太空工程學系教授) (2023/10/21)

 火箭工程是一門令人著迷的科學領域,目的在設計、建造和運行用於太空探索的強大機器。這些驚人的成就推動了人類對宇宙的深入探索,開展無數的科學發現,並將我們帶到遙遠的星際空間。今天我們來介紹火箭的重要組件和未來前景。

火箭發動機三大類別

 火箭發動機根據工作原理和推進方式分成三類:

 ‧液體火箭發動機:液體火箭使用液態燃料和氧化劑,它們在燃燒室裡混合點燃,產生高溫高壓氣體,藉此推動火箭前進,具有良好的控制性能,可以調整推力和方向。

 ‧固體火箭發動機:固體火箭使用固體燃料和氧化劑,這種材料事先製造好,點火後無法停止,可於短時間內產生極大的推力,通常用於短程飛行或火箭助推器。

 ‧液體固體混合火箭發動機:推進劑包含固體燃料及液態氧化劑。具備能夠控制推力大小、成本相對低廉等特性,也更加安全,是目前世界上常用的發動機。

Jessie火箭使用的固體燃料推進劑及其組裝航電裝置。

航電艙主導飛行任務

 航電艙是火箭的「大腦」,位於火箭的機身中部或頂部,在飛行過程中扮演重要角色,負責控制和監測火箭的飛行任務,主要作用包括:飛行控制、導航及通信等。

 由於航電艙內有許多電子儀器,裝置火箭航電艙時,如果不當碰觸電源,會瞬間導入大量靜電荷,導致航電器材損毀,因此工作人員通常要戴靜電環,靜電環可提供離子中和,使靜電有效排除。

外形設計影響穩定性

 外形設計在火箭工程非常重要,它直接影響火箭的性能及穩定。設計時須考慮的因素有:

 ‧空氣動力學設計:火箭外形應減少風阻,以提高飛行效能。火箭外形通常是流線型,可減少風阻,所以頂部通常較尖,底部較寬。外部凹凸不平的結構可能會增加風阻,因此設計應儘量簡潔。

 ‧穩定性:火箭外形應確保飛行時的穩定,防止旋轉或偏離預定軌道。通常會在底部設計尾翼,增加穩定度。

 ‧重心和壓力中心:火箭外形設計應確保重心和壓力中心(壓心)之間的平衡。重心是火箭的質量中心,壓心是火箭所受空氣壓力的中心。通常重心會設計在壓心前面,以免失去平衡。

持續精進高效能技術

 目前,科學家和工程師積極研究更高效的發射技術,例如核動力火箭和離子推進器,這些技術將使太空探索變得更加節能且持續。火箭工程將繼續探索更遠的星際空間,包括火星和其他潛在的地外行星,以及外太空的資源開發。相信各位以後一定看得到這些夢想實現。

Jessie火箭於今年九月成功發射。

火箭命名小檔案

 淡江大學航空太空工程學系研製火箭「淡江一型」及「Jessie」分別於今年六月與九月成功發射,是全臺第一個完成兩次試飛的團隊。

 該團隊常戲稱自己是火箭隊。因此,今年九月發射的火箭就命名為寶可夢火箭隊隊長——武藏的英文名「Jessie」。Jessie使用固體燃料RNX推進劑(硝酸鹽複合推進劑),具有製造過程不須加熱及成品不易受潮等優點;外殼是複合材料,尾翼首次採用黏著方式施作。在這之前,為了測試RNX固體發動機性能,先行試射「淡江一型」火箭。因此Jessie火箭的雛型比淡江一型還早,不稱為淡江二型。

淡江一型火箭於今年六月成功發射。