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: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:

  1. Dberhaus, D., (2019, May 22). A Rocket Built by Students Reached Space for the First Time. Wired
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