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239期


2019 年 06 月 19 日

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美國大學生成功發射自製火箭上太空

明日科學

USC火箭推進實驗室成為首個將火箭送上卡門線的大學生團隊。
圖片來源：USC Rocket Propulsion Lab

南加州大學（University of Southern California，USC）學生組成的社團「火箭推進實驗室」（USC Rocket Propulsion Lab），製造一枚長約 4 公尺火箭，將其命名為「旅行者四號」（Traveler IV），並將其發射至太空。這枚火箭是首個由大學生自製並送上太空的火箭，該團隊也是史上第二個將火箭送上太空的民間組織。

自製火箭上太空

USC 火箭推進實驗室成立於 2005 年，目標是發射自製火箭飛越卡門線（Kármán line）進入外太空，卡門線是區分地球大氣層與太空的假想線。

就太空飛行而言，送火箭上太空需要國家級的資源。1942 年，納粹德國花費鉅資，經過十多年開發，才於發射首艘上太空的V-2火箭（V-2 rocket）。此後的80年，數十個國家及少數億萬富翁製造能進行次軌道太空飛行（suborbital flight）的火箭。

2004 年，「市民太空探索團隊」（Civilian Space eXploration Team，CSXT）成為史上首個製造業餘火箭並送上太空的民間組織，該團隊在2014年又再度完成此項創舉。USC火箭推進實驗室則希望延續 CSXT 的精神，將自製火箭送上太空。

發射始末

隨著旅行者四號飛過太空，USC團隊及數十名觀眾以擔憂的心情觀看。他們觀察著火箭的軌跡，並聆聽該團隊的航電組長科納·海耶斯（Conor Hayes）喊出火箭的高度。在發射後的三分鐘，發射團隊其中一位成員說出大家都想聽到的話：「阻力傘（drogues）已經發射。」也就是第一組降落傘已經在遠地點（apogee）釋放，這表示火箭到達太空。團隊成員高興地跳起來。剩下的步驟就是要找到火箭。

USC火箭團隊後來在火箭發射處約19公里處找到降落的火箭。就一個才剛以音速5倍的速度飛行的物體來說，其外觀保持良好。在分析飛行數據時，團隊很肯定地作出以下結論：火箭已突破卡門線，使得 USC 火箭實驗室成為史上第二個火箭上太空的民間組織。該火箭到達海拔約103.5公里，最高時速則高達每小時5,449 公里。

雖然突破卡門線是大學生太空競賽的目標，不過這個「官方的」太空界線某種程度上有些隨意。一般公認的卡門線為海拔 100 公里，而美國太空總署（NASA）則將卡門線認定為海拔80公里。藉由這些標準，即使將火箭上用來追蹤上升的加速規的量測誤差算入，也很確定USC團隊已將火箭送上太空。

屢敗屢戰

如同CSXT，USC實驗室專注於固態燃料火箭，該火箭與 SpaceX或 Blue Origin發射的液態燃料火箭相比，其發動機較不複雜也較不危險。某些大學所研發的火箭為兩段式，但USC團隊則選擇了單段火箭。對於要環繞軌道的火箭而言，需要達到超過時速27,359公里的速度，因此兩段式火箭是必要的，目的是能拋棄空的驅動槽而減輕重量。但對於較低的高度及速度，單段式火箭就足夠了。

在2013年，USC火箭團隊研發「旅行者一號」（Traveler I）進行首次太空發射，但在發射不久後就爆炸了。隔年他們再次發射「旅行者二號」（Traveler II），但仍以失敗收場。之後，USC團隊開始開發另一套火箭（命名為Fathom火箭）及發動機，作為後續幾次太空發射飛行系統的測試平台。Fathom 火箭是旅行者火箭的縮小版，它可以讓USC團隊快速連續製造多枚火箭，以檢視子系統之間如何運作。在經過大量的測試後，USC團隊的Fathom二號火箭在2017年創下紀錄，飛到海拔約44公里高度。相比之下，其他大學團隊的火箭只飛到約30.5公里。

2018年9月，USC 團隊發射「旅行者三號」（Traveler III），這可能是首個進入太空的大學生火箭。雖然團隊預期火箭會飛到約112.8公里，但因為團隊啟用航電有效酬載失敗，以至於沒有紀錄到任何飛行資料。因此在發射旅行者四號之前，團隊大幅修改了運作程序，以避免相關過失再度發生。

未來挑戰

雖然USC團隊成為第一組送火箭上太空的大學生團隊，但這場比賽仍未結束。包含USC團隊在內的許多團體都在探索使用液態燃料火箭，儘管在工程上的挑戰更大。液態燃料火箭具有多種優點，包括更高程度的控制及能攜帶更多酬載到太空。雖然製造液態火箭的成本對大學而言太過昂貴，但在15 年前，製造固態燃料火箭也一樣昂貴。

不過，USC團隊仍未結束對固態燃料火箭的研究。火箭推進實驗室希望也能創造史上最高業餘火箭的紀錄，這表示他們的火箭飛行的高度還要增加約15.24公里。不過，USC團隊已準備好接受這個挑戰。

參考資料：