太空科技政策與載具發展太空科技政策與載具發展

中山科學研究院第二研究所中山科學研究院第二研究所邢禹成 博士邢禹成 博士

大綱大綱 太空科技的必要性與展望太空科技的必要性與展望 我國的太空計畫我國的太空計畫 什麼是太空載具什麼是太空載具 太空載具的推進原理太空載具的推進原理 太空載具的產業及社會發展太空載具的產業及社會發展 結論結論 參考資料參考資料

太空科技的必要性與展望太空科技的必要性與展望 觀測地球 觀測地球 - - 資源、氣象…資源、氣象… 通訊與定位 通訊與定位 - SNG- SNG 、、 GPS…GPS… 微重力試驗 微重力試驗 - - 太空實驗室…太空實驗室… 國防與軍事 – 間諜衛星、國防與軍事 – 間諜衛星、 SASA

RR 探索宇宙 探索宇宙 - - 哈伯望遠鏡、登哈伯望遠鏡、登月、登火星…月、登火星…

我國的太空計畫我國的太空計畫 願景 願景 頂尖研發機構 頂尖研發機構 亞洲太空科技強國 亞洲太空科技強國 世界太空領域重要成員 世界太空領域重要成員 目標 目標 完成國家任務 完成國家任務 建立完整衛星技術能力 建立完整衛星技術能力 進行尖端太空科學研究 進行尖端太空科學研究 推廣衛星應用推廣衛星應用 適時發展載具適時發展載具

什麼是太空載具什麼是太空載具

提供太空船提供太空船 (Spacecraft)(Spacecraft) 、衛星動力至太空軌道的火箭，通、衛星動力至太空軌道的火箭，通常分為常分為 2~42~4 節，或配有捆綁式助推火箭節，或配有捆綁式助推火箭 2~62~6 具。具。太空軌道：太空軌道： LEO(LEO( 近地軌道近地軌道 ) 160~2000) 160~2000 公里， 公里， GEO(GEO( 同步軌道同步軌道 ) 36000) 36000 公里。公里。 * * 地球與月球相距 地球與月球相距 384,403384,403 公里；與火星最近距離約公里；與火星最近距離約 78,000,00078,000,000 公里。公里。

美國 太空梭美國 太空梭• 可重複使用！可重複使用！• 西元西元 20002000 年之前，唯一接近年之前，唯一接近 SSTOSSTO 的載具。的載具。• 起飛重量：起飛重量： 2000 2000 噸；載重噸；載重 2424 噸至噸至 LEOLEO ，， 3.83.8 噸至噸至 GTOGTO 。。• 高高 5656 公尺，直徑公尺，直徑 8.78.7 公尺。助推火箭直徑公尺。助推火箭直徑 3.13.1 公尺。公尺。

ApolloApollo

美國 美國 DeltaDelta 家族家族

Delta 4 HLVDelta 4 HLV高高 7171 公尺，直徑公尺，直徑 4.854.85 公尺公尺助推火箭與主火箭相同助推火箭與主火箭相同 (( 液體火液體火箭箭 ))起飛重量約起飛重量約 900900 噸噸載重載重 2323 噸至噸至 LEOLEO ，， 13.213.2 噸至噸至 GGTO TO

Delta 4Delta 4 系列系列

美國 泰坦系列美國 泰坦系列 (( 空軍空軍 ))

• 4A: 4A: • 高高 63.163.1 公尺，直徑公尺，直徑 33 公尺，公尺，

助推火箭直徑助推火箭直徑 3.03.0 公尺公尺• 起飛重量 起飛重量 940940 噸噸• 人馬座或人馬座或 IUSIUS 太空船太空船• 載重載重 55 噸至噸至 GTOGTO

• 4B: 4B: • 高高 62.262.2 公尺，直徑公尺，直徑 33 公尺，公尺，

助推火箭直徑助推火箭直徑 3.23.2 公尺公尺• 起飛重量 起飛重量 925925 噸 噸 • 人馬座或人馬座或 IUSIUS 太空船太空船• 載重載重 21.721.7 噸至噸至 LEOLEO ；； 5.75.7 噸噸

至至 GTOGTO

1. Payload Fairing1. Payload Fairing

2a. Centaur Upper Stage:2a. Centaur Upper Stage:Config SS-ELV-401Config SS-ELV-401

2b. Inertial Upper Stage (I2b. Inertial Upper Stage (IUS):US):Config SS-ELV-402Config SS-ELV-402

2c. No Upper Stage (NUS):2c. No Upper Stage (NUS):Config SS-ELV-403/404/405Config SS-ELV-403/404/405

3. Core Vehicle3. Core Vehicle

4. Liquid Rocket 4. Liquid Rocket EngineEngine

5. Solid Rocket Motor5. Solid Rocket Motor

美國 飛馬座系列美國 飛馬座系列 (( 軍事用途軍事用途 ))由空中發射，重量由空中發射，重量 2323 噸，長噸，長 16.916.9 公尺，直徑公尺，直徑 1.271.27 公尺公尺

美國 飛馬座系列美國 飛馬座系列 (( 軍事用途軍事用途 ))由空中發射，重量由空中發射，重量 2323 噸，長噸，長 16.916.9 公尺，直徑公尺，直徑 1.271.27 公公

尺尺

前蘇聯的太空載具前蘇聯的太空載具

ENERGIAENERGIA 係太空梭發射載具，係太空梭發射載具， 19801980 年代末期除役。年代末期除役。 聯盟號聯盟號 SOYUZSOYUZ 擁有每年發射擁有每年發射 4545 次的最高紀錄次的最高紀錄

中國 長征系列中國 長征系列

•最大型的長征最大型的長征 3B3B•成功率 成功率 100%100%•起飛重量起飛重量 425425 公公噸噸

•能將能將 5.15.1 公噸的衛公噸的衛星送到星送到 GTOGTO

•具ㄧ箭雙星能力具ㄧ箭雙星能力•神州七號的載具為神州七號的載具為

LM-2FLM-2F

歐盟亞利安歐盟亞利安 1,2,31,2,3 系列系列

Main Data Ariane 1 Ariane 2 Ariane 3

Height 47.4 m 49 m 49 m

Diameter 3.8 m 3.8 m 3.8 m

Liftoff mass 210 tonnes 219 tonnes 237 tonnes

Max. payload mass* 1.83 tonnes 2.27 tonnes 2.65 tonnes

歐盟亞利安歐盟亞利安 -4,5-4,5 系列系列

Main DataMain Data 40 40 42P 42P 44P 42L 44LP 44L 5G 44P 42L 44LP 44L 5G

Height, m 58.72 58.72Height, m 58.72 58.72 58.72 58.72 58.72 58.72 52 58.72 58.72 58.72 58.72 52

Diameter*, m 3.8 Diameter*, m 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 5.4 3.8 3.8 3.8 3.8 5.4

Liftoff mass, tons 240 320Liftoff mass, tons 240 320 350 350 360 420 470 746360 420 470 746

Payload, tons 2 Payload, tons 2 2.7 2.7 3.1 3.1 3.3 3.8 4.3 6~93.3 3.8 4.3 6~9

歐盟亞利安系列歐盟亞利安系列

日本的太空載具日本的太空載具

20032003 年宇航研究所年宇航研究所 JXAXJXAX 整合整合 ISASISAS 、、 NALNAL 、、NASDANASDA 三個單位成為日本太空技術研發中心三個單位成為日本太空技術研發中心

HH 火箭技術源自美國火箭技術源自美國 DeltaDelta 火箭，可能成為火箭，可能成為太空梭除役後的暫代品太空梭除役後的暫代品

NASDA NASDA 之 之 H-ⅡBH-ⅡBISAS ISAS 發展之載具發展之載具

其他國家發展中的載具其他國家發展中的載具

印度印度

南韓南韓巴西巴西

以色列以色列

太空載具的推進原理太空載具的推進原理 推進劑含燃料及氧化劑推進劑含燃料及氧化劑 滿足能量守衡滿足能量守衡

化學能 化學能 →→ 機械功 機械功 滿足牛頓運動定律滿足牛頓運動定律 噴嘴膨脹做功噴嘴膨脹做功 排氣仍具高溫高速排氣仍具高溫高速 (los(los

s)s) 整體熱效率整體熱效率 40%~70%40%~70%

太空載具的推進原理太空載具的推進原理固體火箭固體火箭

HTPB/AP/AlHTPB/AP/Al 推進劑推進劑 由藥柱瞬時的燃面乘由藥柱瞬時的燃面乘

上推進劑比重和燃燒上推進劑比重和燃燒焓，就可計算出推力焓，就可計算出推力

密度比衝密度比衝 (density spe(density specific impulse)cific impulse) 最大最大

比衝 比衝 < 260 < 260 秒秒 結構簡單結構簡單 推力大小無法調整推力大小無法調整 廉價廉價 熄火後無法再啟動熄火後無法再啟動 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Web(mm)

Ab(mm2)

太空載具的推進原理太空載具的推進原理液體火箭液體火箭

液態的燃料與氧化劑分液態的燃料與氧化劑分開儲存開儲存 (( 仍具危險性仍具危險性 ))

可藉流量控制調整推力可藉流量控制調整推力大小大小

管路複雜管路複雜 比衝值比衝值 ~400 ~400 秒秒 (( 氫氫 //

氧氧 )) 密度比衝最小密度比衝最小 (( 液態氫液態氫

僅僅 0.070.07 ，液態氧，液態氧 1.14)1.14) 可熄火再啟動可熄火再啟動

太空載具的推進原理太空載具的推進原理混合火箭混合火箭

一般採用液態氧化劑和固態燃料一般採用液態氧化劑和固態燃料 管路較液態火箭簡單管路較液態火箭簡單 比衝高於固體火箭、密度比衝高於固體火箭比衝高於固體火箭、密度比衝高於固體火箭 可熄火再啟動可熄火再啟動 安全性最高安全性最高

太空載具的推進原理太空載具的推進原理其他其他

電弧加熱離子火箭電弧加熱離子火箭 太陽帆太陽帆

比衝值可達數萬但產生推力非常小比衝值可達數萬但產生推力非常小只適合用於星際旅行只適合用於星際旅行

太空載具的產業及社會發展太空載具的產業及社會發展 太空載具是人類進入太空的工具，具有太空載具是人類進入太空的工具，具有重大的科技、國防、政治與經濟意義。重大的科技、國防、政治與經濟意義。

南韓於南韓於 20022002 年起耗資年起耗資 15001500 億韓圜建力億韓圜建力發射場，發射場， KSLV-1KSLV-1 去年底發射，不幸失去年底發射，不幸失敗，但仍力爭太空俱樂部老九的席位。敗，但仍力爭太空俱樂部老九的席位。

我國的太空計畫五臟俱全，但規模太小，我國的太空計畫五臟俱全，但規模太小，難以影響科技及經濟發展。難以影響科技及經濟發展。

結論結論 太空工業為環球通訊、偵測地球資源太空工業為環球通訊、偵測地球資源與環境、探索宇宙的支柱。與環境、探索宇宙的支柱。

太空載具為龐然大物，包括箭體、動太空載具為龐然大物，包括箭體、動力裝置、飛行控制系統和衛星艙，是力裝置、飛行控制系統和衛星艙，是多種高科技的結晶。多種高科技的結晶。

依太空俱樂部成員國的經驗，以載具依太空俱樂部成員國的經驗，以載具作基礎的太空工業足可成為我國下一作基礎的太空工業足可成為我國下一個兆元產業。個兆元產業。

參考資料參考資料1.1. Investigation of Space Launch Vehicle CataInvestigation of Space Launch Vehicle Cata

strophic Failures, AIAA Paper 95-3218strophic Failures, AIAA Paper 95-3218

2.2. NASA – National Space Science Data C enNASA – National Space Science Data C enter- Spacecraftter- Spacecraft

3.3. ESA - Launchers HomeESA - Launchers Home

4.4. Rocket Propulsion Elements, G.P. Sutton & Rocket Propulsion Elements, G.P. Sutton & O.Biblarz, John Wiley & sons, 2000O.Biblarz, John Wiley & sons, 2000

The EndThe End

謝謝各位謝謝各位

Apollo Apollo 計畫登月載具計畫登月載具

高高 : 110.6 m (363 ft) : 110.6 m (363 ft) 直徑直徑 ： ： 10.1 m (33 ft) 10.1 m (33 ft) 重量重量 ： ： 3,038,500 kg3,038,500 kg (6,699,000 lb) (6,699,000 lb) 第一節第一節 高 ： 高 ： 42 m (138 ft) 42 m (138 ft) 直徑： 直徑： 10 m (33 ft) 10 m (33 ft) 重量： 重量： 2,280,000 kg2,280,000 kg 第二節第二節 高 ： 高 ： 25 m (82 ft) 25 m (82 ft) 直徑： 直徑： 10 m (33 ft) 10 m (33 ft) 重量： 重量： 480,000 kg480,000 kg 第三節第三節 高 ： 高 ： 18 m (59 ft) 18 m (59 ft) 直徑： 直徑： 6.6 m (22 ft) 6.6 m (22 ft) 重量： 重量： 119,000 kg119,000 kg負載負載 ： ： LEO 118,000 kg (260,000 lb) LEO 118,000 kg (260,000 lb)

Lunar 47,000 kg (100,000 lb) Lunar 47,000 kg (100,000 lb)