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台湾学研界太空能量,零组件、火箭、卫星各有所长

作者: 来源:未知 2020-06-24

台湾学研界太空能量,零组件、火箭、卫星各有所长

台湾太空产业正在起步阶段,虽然人力、资金和他国相比相对不足,但产官学各界都在各自领域努力。学研方面,哪些机构正在打磨累积国内太空能量?

交通大学前瞻火箭研究中心

交通大学前瞻火箭研究中心(ARRC)致力于自主研发、製造台湾的运载火箭,在今年航太展展出了 HTTP-3A 混合式火箭第二节原型。火箭採用 4 颗 120 公斤推力複合式引擎,搭配推力向量控制系统(TVC)进行飞行姿态控制,另有飞行电脑、导引导航控制系统、通讯模组系统、电力模组系统与轻量化结构等协助飞行。

这艘火箭特别之处在于,传统探空火箭利用尾翼使火箭旋转(spin stabilized)让火箭稳定飞行,卫星载具则普遍使用推力向量控制来主导火箭飞行的姿态与轨迹,而 ARRC 开发的 HTTP-3A 混合式火箭,是全世界第一个使用推力向量控制系统的混合式火箭引擎。

火箭的 120 公斤级可调式涡流複合式引擎,则使用高浓度过氧化氢(H2O2)与塑胶进行燃烧产生推力,此设计可有效增加氧化剂与燃料混合进而大幅提升推进效率。听到火箭燃烧塑胶时,第一反应可能是不环保,然而事实刚好相反,ARRC 工作人员表示,纯塑胶完全燃烧后会分解成乾净的碳、氢,我们使用的塑胶之所以难分解,是因为多了许多添加剂。

第二节火箭前端之后将会放置科学酬载,进行高空实验。

台湾学研界太空能量,零组件、火箭、卫星各有所长

 HTTP-3A 混合式火箭第二节原型。

而 120 公斤级引擎只是基本款,ARRC 现场还展出了 400 公斤级推力 N2O 混合式火箭引擎,氧化剂为氧化亚氮(俗称笑气),燃料为塑胶,并且这是 1,000 公斤级引擎的前期研究。燃烧过程中,笑气会进行自分解反应产生氮气和氧气,氧气再与燃料进行燃烧,最后从引擎尾端的喷嘴压缩喷出,产生推力。

除了火箭,ARRC 也自主开发高动态双天线 GPS 接收器(如首图)和立方卫星。GPS 接收器用来确保火箭在经历滚转运动、高 G 值加速度运动时仍能正确定位,目前加速度 30G 与旋转速度 4rps 接收器的开发工作已大致完成,实验结果显示接收器可在载具以 0.4rps 旋转速度下锁住卫星讯号尽行定位。

卫星则是内部搭载量子通讯设备的 5U 立方卫星,实验数据将经由通讯模组传回地面基地。

虎尾科技大学明年发射卫星

自马航失事后,美国联邦航空总署(FAA)要求所有飞越美国境内上空的飞机都需加装 ADS-B 飞机发报器,确保飞机位置可被地面接收站随时追蹤监测;除了美国,欧盟、澳洲等都在跟上这股国际趋势。

虎尾科技大学团队研发出 NutSat 立方卫星,就是用来接收飞机 ADS-B 讯号的仪器。该卫星轨道预计飞在离地 500 公里高的太阳同步轨道,卫星倾角 55 度,只要有飞机经过卫星下方,卫星就能接收 ADS-B 讯号,然后回传至地面基地站。

预计明年第三季 NutSat 卫星将发射升空,而火箭届时会先携带其他有效载荷抵达国际太空站,回程时才释出 NutSat 卫星,代表 NutSat 得先随其他载荷停留在外太空一段时间,承受不一般的辐射与温度变化,虎尾科技大学飞机工程系航空电子组助理教授吕文祺表示,卫星的锂电池已通过太空中心的抗辐射测试。

台湾学研界太空能量,零组件、火箭、卫星各有所长

 NutSat 卫星原型。

中央大学自主研製「飞鼠号」卫星

中央大学团队耗费 3 年时间,设计并自製出电离层探测 3U 立方卫星「飞鼠号(IDEASSat)」,包含电力次系统、卫星电脑、科学酬载小型电离层探测仪(CIP)等,预计 2020 年中自印度发射升空,轨道倾角 97.41 度。

团队亦开发卫星搭载的高光谱仪科学任务,整合现有地面接收系统,可提供高时间高空间解析度的空污监测能力;整合高光谱仪资料与其他相关卫星资料后,可以再汇入大气预报模式,进行 PM2.5 监测与预报。

除了卫星仪器,团队也发展太空零组件如:隼拓型光纤陀螺仪,内部核心元件为多功能积体光学晶片(MIOC),能精準量测地球自转、卫星自旋,并且将核心元件成本降低 34%~56%。

中山科学研究院

做为国内国防科技研发机构,中科院于今年航太展亮出各种吸睛国防设备,但除了国防科技,中科院也致力于太空精密元件,比如之前获选 NASA 前 25 大最具潜力计画的 SG100 太空电脑。

卫星方面,中科院展出了星象仪、惯性量测仪、反应轮、磁力矩仪等零组件。星象仪(Star Tracker)与惯性量测仪(Inertial Measurement Unit)就像汽车的 GPS,前者提供太空载具或卫星系统精準姿态讯息,后者由 3 枚光纤陀螺仪与 3 枚微机电加速仪组成,用以感测载具的旋转轴向角速度及线性轴向加速度。

反应轮(Reaction Wheel)和磁力矩仪(Magnetic Torquer)则像汽车方向盘,前者是卫星姿态控制系统的重要元件,主要使用于太空载具的三轴姿态控制和姿态稳定,藉反应轮角动量之输出,提供高指向精度;后者由含铁芯的电磁线圈组成,被磁化的铁芯产生一个磁偶极,与环境磁场(通常是地球磁场)相互作用,广泛使用于卫星三轴姿态控制、止翻滚、稳定等用途。

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