HTTP-3A S2 飛行導控技術混合式火箭成功升空 ARRCARRC

HTTP-3A S2 飛行導控技術混合式火箭成功升空

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2022-07-24|閱讀時間約 5 分鐘
"We had to start somewhere, either succeed or fail, and then build what we knew as we went along. No matter what happened, I felt scientific. Failure, after all, just added to our body of knowledge." - Rocket Boys (October Sky) by Homer Hickam
  時隔2年,2022年7月10日上午6點12分,HTTP-3A S2 火箭成功升空,完成HTTP-3A火箭計畫的第二階段飛行測試項目。雖然飛行高度不高,但主要測試目的已達成。
  HTTP-3A火箭計畫主要可分為三階段的飛行測試。
第一階段:HTTP-3AT懸浮飛行測試
2020/08/20 5th 懸浮飛行測試
2020/9/8 6th 懸浮飛行測試
第二階段:HTTP-3A S2單節飛行測試
2022/7/10 HTTP-3A S2飛行測試
第三階段:HTTP-3A雙節火箭全箭飛行測試
  本次飛行測試很可惜沒有100%達到原定飛行任務目標,當然每個人對於成功的定義不同,但對於完整的HTTP-3A任務目標來說,已算是99%的成功,最主要原因是終於可進行下一階段的飛行測試。
  這樣的測試狀況與2021/11/03 HTTP-3A S2垂直地面測試的結果類似,在資源與時間有限的情況下,無法確保每一測試項目都測試到100%達到目標才進行下一階段的測試項目。
  但透過測試所獲得的數據仍可進行相當多的檢討與改進,並評估是否可以直接進行下一階段的測試,達成所需改善與測試驗證之項目。
2021/11/03 HTTP-3A S2 地面垂直測試
  另一個經典案例是2020年底美國SPACE X 星艦計畫 StarShip SN8高空飛行測試。這是SPACE X 星艦計畫的第一次更是全球首次的火箭入軌段高空垂直起飛垂直降落測試。當時的飛行高度是12.5公里,與一般民航機飛行高度差不多,最後降落時爆炸收場。但這算是一次失敗的測試嗎? 至少SPACE X並不這麼認為。
StarShip SN8高空飛行測試
  火箭與太空科技之所以特別,最大的差異便是在測試成本相當高,無法頻繁飛行測試以調整設計與控制參數。而地面測試測的再多,仍有測試項目是只能在飛行測試中驗證,如果沒有飛行測試,一切仍是空談。
  在HTTP-3A計畫中所規劃的技術發展路線,本次飛行測試的重點分別為火箭飛行導航控制技術與"ZIYASim"6自由度任務分析模擬器的飛行任務模擬準確性。這兩項是過去僅在懸浮飛行測試中初步驗證過的重點項目。當這兩項驗證後,後續便可直接透過飛行模擬軟體,如同進行飛行測試般調整火箭設計與控制參數。
  但懸浮飛行與實際火箭飛行仍有差異,這當中包含從火箭發射倒數階段到火箭放飛升空階段,其設計與控制流程並非完全相同。尤其技術層面上,在台灣經由類似的放飛系統管理火箭垂直起飛為首次進行飛行測試且細節無其他技術或文獻可參考,必須透過實際飛行測試來累積經驗。
  測試後確認現場火箭飛行數據皆正常回傳,已足夠做為後續數據分析與評估系統運作狀態使用,且初步確認模擬與實驗有相當接近的結果。因此現場直接判定可進行下一階段飛行測試,也是99%成功的由來。
  後續分析數據也顯示,火箭在飛行姿態控制上有相當好的成果(下圖),飛行模擬的數據也有接近的控制趨勢,控制上的偏差也有初步找出原因並透過ZIYASim重現。甚至有發現實際飛行測試有比模擬結果還要好的表現,這部分還有待更進一步的分析,並針對模擬參數細節做調整,這也是需要實際飛試才有辦法確認的項目。(第5秒為火箭Pitch down程序,是火箭往海面邊偏轉2.3度)
HTTP-3A S2 火箭飛行姿態

針對HTTP-3A S2未達成原定飛行目標之主因

  本次飛行測試從發射升空至落海僅80秒。最主要原因在於火箭引擎提早熄火。分析原因後確認為氧化劑填充所使用之秤台單位由原本的kg變成lb所導致。這表示火箭氧化劑僅填充原本預定之45%,填充量不足火箭沒有足夠的氧化劑供引擎燃燒便提早熄火關閉。
  雖說這種NASA也發生過的單位錯誤問題(補充內容1)我們應引以為戒,但如同墨菲定律還是發生了。此部分發射程序問題會再細節討論以避免同樣狀況發生。
  驚喜的是,即使火箭在如此大的初始值偏差,火箭飛行控制仍可正常運作。
  其餘主要測試項目分別描述如下:
  1. 可控制混和式火箭推進技術 - 熄火前運作正常,可惜無驗證全時程。
  2. 火箭發射地面支援系統 - 發生之程序問題可再調整修正。
  3. 火箭降落傘回收系統等 - 系統是正常依規劃指令運作,但因引擎提早關閉而較晚開啟降落傘,導致開傘時火箭速度過快,為可修正之程序問題。
後續仍有眾多數據細節正在分析中。

澄清幾個常見誤會

  1. ARRC是隸屬於國立陽明交通大學工學院底下的研究中心。
  2. HTTP-3A雙節混合式探空火箭計畫是科技部補助ARRC的研究計畫,2020年的群眾募資也是針對此計畫。火箭目標是飛行至100公里高,並不會進入地球軌道。
  3. 衛星載具是衛星運載火箭的代名詞,"類"衛星載具最早是在2020年便已提出此概念,其定義是針對HTTP-3A火箭,而本次發射是HTTP-3A的第二節火箭。
    ARRC 太空科普|混合式火箭是莫名的堅持?

HTTP-3A S2 飛行測試延伸閱讀

20220710 屏東旭海發射場HTTP-3A S2火箭發射控制室紀錄
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