# FAR 參賽計畫書
###### tags: `System`

## 1. 摘要
本計畫是為了參加 FAR(Friends of Amateur Rocketry) 51025 比賽。我們將製作一可以搭載 3U 立方衛星的運載火箭至 10000 呎的高空。立方衛星上會搭載一架滑翔機及一台探索車。火箭裝配自製的固態火箭發動機，及自製的 KNSB 推進劑燃料。而當火箭達到至高點時，火箭將投放立方衛星。而立方衛星則會再分別投放滑翔機及探索車。本計畫的目標是證明探空火箭有能力投放立方衛星，而實測結果將於 FAR 比賽中獲得驗證。

## 2. 介紹
我們是太空推進研究社 ISP(Institute of Space Propulsion)。ISP 是一個來自成功大學的學生社團。由許多不同領域且足具才能的學生自發性集結而成的社團。我們充滿熱情且熱愛火箭。社團可以分為三大部門：推進、航電、結構。這三個部門涵蓋了90%的技術研究及發展。而本計畫則可以分為五個階段，分別為初次設計、初次飛試及二次設計、二次飛試及酬載設計、最終飛試及最終檢查、正式比賽。
本計畫的探空火箭可以乘載 3U 的立方衛星，其衛星可重達 8.8 磅，並將衛星送至 10000 呎的高空。這需要一款 N 級的固態發動機。火箭上也將搭載兩種減滾系統：溜溜球減滾及反應輪控制。目的是為了可以提供最佳的衛星投放姿態。在立方衛星完成投放後。我們將使用點火開傘系統，引燃黑火藥製造微型爆炸使降落傘得以被推出。火箭及立方衛星皆有獨立的降落傘，為了防止意外，兩者皆配備備用降落傘。立方衛星會搭載一架滑翔機及一台探測車，並於衛星降落至 400 呎空域以下後投放滑翔機，再於落地後投放探測車。且每個個體皆配備通訊及圖傳系統，將其運作畫面全數傳回地面站。並且火箭、立方衛星及滑翔機皆配備 GPS 及 IMU 以便讀取其姿態及位置。更加詳細的內容將於下個章節介紹。

## 3. 系統架構
本計畫中的整體架構由推進劑、發動機、箭體、航電系統、減滾系統、籌載、開傘系統、降落傘集合而成。在本節中將會介紹每個系統的詳細內容、研究方法及製作方法。

### 推進劑
本計畫使用 KNSB 作為發動機的燃料。KNSB 是一種以硝酸鉀及山梨醇混和的固態火箭燃料。其中 65% 為硝酸鉀，35% 為山梨醇。製作過程會將其加熱至160~180度高溫並待其融化後混和澆注至紙管內冷卻。製作好的藥柱外徑 100mm、內徑 20mm，單節長度為 100mm，共有八節。總重約 10.5kg。製作完的藥柱將會被存放於防潮箱中，一旦藥柱長期放置於防潮箱外，燃料會受潮並且難以點火，同時其推力也會降低。長期放置於防潮箱中可以提升發動機的保存時間達半年之久。圖?為其中一款研發中的發動機所使用 KNSB 的推力曲線，圖?為 KNSB 藥柱圖。
 

### 發動機
本計畫使用固態發動機。固態發動機可以分為兩個主要部件，燃燒室及噴嘴。燃燒室直徑為 105mm，長度為 840mm，噴嘴喉口直徑為 19.14mm ，擴張比為 8.0，最大艙壓可達 80.3 bar。峰值推力可達 3452N，平均推力為 2529N。總燃燒時間為 5.431 秒，而總衝量達 13733N-sec。此發動機屬於 N 級別。而發動機本身使用 6061 的鋁製成，噴嘴則是為了抵抗高溫，使用石墨製作而成。兩者皆是使用 CNC 加工製成。該發動機可以反覆使用，以節省研發成本，然而噴嘴為消耗品，實測約使用 3~5 次便須更換。圖?為研發中的發動機設計圖，圖?為研發中的發動機。

### 箭體
火箭總長約 2000mm，直徑約為 150mm，總重約 30kg，穩定度為 2.0。火箭將於點火後的 0.32 秒離開發射架，離架速度約為 28.6m/s。而第 3.91~5.49 秒段超音速，期間高度將上升 512m，其中最大速度將達 353.7m/s，大約為 1.04 馬赫。故鼻錐選用 LD-Haack (Von Kármán)形狀。由於其於穿音速階段(0.8~1.0馬赫)具有較小的阻力。由於玻纖具有高強度且相較於碳纖更低的成本，因此箭體將使用玻纖作為主要材料。箭體的穩定度及流體會很大程度決定起飛的成功與否。我們在設計並製作最終版本的火箭前，製作了數支可行性評估用的火箭，並做了數次飛試。前幾次的飛試皆在第二階段便失控並宣告失敗(第二階段為起飛後至發動機熄火過程，詳細內容將於下節提及)。圖?為箭體的模擬外觀及模擬飛行高度、速度、加速度數據。

### 航電系統
航電系統有兩個部分，火箭端及酬載端。兩者皆需要有探測高度、姿態及位置的功能。它們也需要有超過 10km 的通訊能力。並且為了提高空間利用率，航電系統內的各式元件皆會整合為一塊航電電路板。以下會詳細介紹航電系統中重要的元件。圖?為研發中的航電板設計圖，圖?為研發中的航電板。
 
 
#### 慣性量測單元 Inertial Measurement Unit
IMU 慣性量測單元，當中包含三軸加速規及三軸陀螺儀，並且我們還增加了三軸磁力計以便讀取火箭的朝向。IMU 的目的是為了觀測火箭的姿態，確認火箭是否以正常的姿態飛行。並且通過數據分析可以判別箭體的流體是否有符合理論預測，以此來檢測箭體製作上是否有問題。而在控制上，通過 IMU 反饋，可以檢測火箭是否達到至高點。因為當火箭達到至高點時，其姿態將水平於大地，此時為投放酬載的最佳姿態。IMU 同時也可以對加速度做二次積分來獲得三維的移動距離，以此來計算火箭的位置。並且利用反應輪控制火箭自旋時也需要陀螺儀的反饋。因此 IMU 絕對是航電不可或缺的感測器。
#### 氣壓計
氣壓計可以通過測量大氣壓力來獲得高度資訊。由於氣壓計直接量測的特性，其在量測高度的精度上在特定情況下會比 IMU 來的可靠。因此火箭的高度資料會主要由氣壓計來提供。而火箭的速度也可以通過對高度的微分來獲得，但就只有垂直方向上的分量，所以精確的速度還需要搭配 IMU 來做補償。
#### 全球定位系統 Global Positioning System
GPS 可以定位火箭位置，其主要目標是為了回收。由於火箭的飛行高度會達 10000 呎，一旦追蹤火箭的相機脫鎖，在這樣的遠距離下就很難再以目視找回火箭。且在火箭開傘後，會隨風飛向無法預測的地方，因此火箭位置定位是極為重要，一旦沒有 GPS 就將很難找回火箭。
#### 通訊系統
通訊系統可以分為兩個部分，數據傳輸及影像傳輸。兩者皆需要有最小 5km 的通訊距離。但由於火箭回收仰賴穩定度較高的通訊品質，可以在火箭落地時不間斷地傳遞位置資料，所以數據傳輸需要至少 10km 的通訊距離。
##### 數據傳輸
本計畫使用 LoRa(Long Range) 作為通訊協定，其優點在於可以使用較低能量及較小的天線做到遠距離通訊。由於整個計畫包含 4 個獨立運作的系統：火箭、立方衛星、滑翔機、探測車。通訊的頻道至少要有 4 組。而通訊頻段為 433MHz。
##### 影像傳輸
本計畫使用 2.4GHz 及 5.8GHz 的無線電波作為影像傳輸的頻段。不使用 LoRa 是因為頻寬不足，且為了防止干擾。雖然 2.4GHz 以上的頻段具有較高的頻寬，可以傳輸資料量較大的影像，但在同樣大小的天線及能量損耗下，其通訊距離大幅降低。為了可以遠距離傳輸影像，需要額外加上訊號放大器。而之所以要使用兩種頻段，是為了區分影像品質。火箭及酬載本身由於空間較充裕，所以可以放入高畫質鏡頭及功率較大的放大器。而滑翔機及探測車因受限於空間，所以使用較低頻段且較遠距離的影像傳輸。
##### 地面站
地面站由同款航電板作為地面端收發器，並連接電腦。使用 javascript 撰寫而成的地面站網頁，讓任何電腦可以隨時在有網路的地方點開連結使用，不需要繁複的安裝流程，且不會有兼容性問題，同時也可以離線使用。地面站可以提供高度、速度、加速度、角速度、姿態、位置、壓力、溫度、箭載影像、通訊強度、火箭狀態等等各式資料。並且也可以遠端控制火箭發射及發送各式命令。圖?為研發中的地面站畫面，圖?為研發中的地面站套組。
##### 地面點火器
由於發動機點火是通過外部接入引信至發動機中，所以箭載的航電本身是無法直接點燃發動機的。此時就需要一組地面點火器可以提供發動機點燃引信。這個點火器是由同款航電板來擔任。由於航電板的設計可供多用途，其同時具備地面站、地面點火器的功能。

### 減滾控制
減滾控制是本計畫最特別的部分。火箭常常會因為尾翼的偏置，導致其升空後高速的旋轉。為了保證火箭可以穩定的投放酬載，控制火箭的姿態極其重要。而我們選擇通過控制火箭的旋轉，讓其可以在至高點時以靜止的狀態投放衛星。而本計畫提供兩種方法來減低滾動，溜溜球減滾及反應輪控制。火箭發射初期，由於固態發動機容易產生不均勻的推力，適當的滾動可以提升火箭飛行的穩定性。減滾控制會於接近置高點時開始，並分為兩個階段。第一階段為溜溜球減滾，減低火箭 90% 的轉速後，再以反應輪減滾，將火箭轉速降至0。
#### 溜溜球減滾
溜溜球減滾顧名思義，其形態與溜溜球相似。其機制是在高速旋轉的物體上向反方向拋出兩個質量塊，且兩個質量塊上綁著繩索，繩索纏繞但不鎖死於中心柱上。由於角動量守恆，在同一角動量下，被拋出的質量塊會拉動繩索，而纏繞在中心柱上的繩索會對其產生反轉的力矩，從而減低火箭的旋轉。並且在火箭速度接近靜止時，繩索此時會因為轉到盡頭而脫開中心柱。而兩個質量塊也會一同脫離火箭，以防其回彈砸向火箭。此為第一階段減滾，由於火箭的轉速由製造公差導致，所以很難準確地通過事前模擬計算，所以單純使用溜溜球減滾無法做到完全的靜止。此時就需要第二階段減滾。圖?為溜溜球減滾的原理圖。
#### 反應輪
反應輪是一個帶有質量的輪子。由於角動量守恆，通過加速轉動反應輪，可以產生反向的轉矩。我們可以利用其性質來控制火箭的旋轉，並且不同於溜溜球減滾，此種控制方法不單可以做到減滾，也可以控制火箭的轉速。反應輪將安裝於一顆無刷馬達，並通過 PID 控制馬達轉速。既然反應輪可以直接控制轉速，為何不單純使用反應輪就好？火箭的總重最大可達 30kg，而為了降低火箭的收斂時間且同時不超過馬達轉速上限，反應輪的質量勢必會佔據許多重量，這些多餘的重量會降低有效載荷。因此第一階段使用較低質量的溜溜球減滾，待火箭轉速大幅降低後，再以反應輪控制，此時反應輪的質量及轉速可以不需要太高。進而提升有效載荷。圖?為研發中的反應輪減滾設計圖。
 
### 酬載
本計畫的酬載為 3U(30x10cm) 的立方衛星。該立方衛星乘載著一架滑翔機及一台探測車。立方衛星也有獨立的一套航電系統，配備有 IMU、GPS、氣壓計及通訊系統。之所以要乘載滑翔機及探測車是比賽的規則之一。衛星將於開傘後降落，當高度來到 400 呎以下時要投放滑翔機。而當衛星落地後則要投放探測車。衛星將於開傘後因初始受力不均開始自由的旋轉。為了提供穩定且固定的投放環境，立方衛星上也會配備一顆反應輪。當高度接近 400 呎時開始運作減滾。並投放滑翔機。圖?為立方衛星的系統架構圖，圖?為研發中的 1U 立方衛星。
 
### 滑翔機
滑翔機為比賽的其中一個項目，需要有能力可以通過遙控或自主返回比賽場地，所以滑翔機也需要配備一套完整的航電系統。由於立方衛星的空間只有 10x10x30cm，這樣的空間大小對一架滑翔機不是很友善，所以該滑翔機會將機翼摺疊收納，並且可以在投放後自動展開。圖?為滑翔機的概念設計圖。
### 探測車
探測車為比賽的另外一個項目，需要有能力可以在落地後行駛 10 呎的距離。由於酬載在落地時的姿態無法確定，因此探測車需要有能力在各種起始姿態下行駛。探測車同時需要有能力可以傳遞影像回地面站。圖?為探測車的概念設計圖。
 
### 開傘機構
開傘機構是在封閉的活塞中點燃黑火藥包產生大量氣體所製造的微型爆炸，進而推動活塞，活塞再推動降落傘，將其從箭身噴出。同理運用在酬載上。圖?為研發中的開傘機構設計圖。
 
### 降落傘
本計畫會使用到 2 枚降落傘，一枚用於火箭，一枚用於酬載。降落傘的最終目的是將載物墜落速度降至終端速度，讓載物以終端速度撞擊地面時不會損壞。此次計畫使用 ripstop nylon 作為傘布材料，並將終端速度設為 5m/s，阻力係數 Cd 約 1.75。傘布由 12 片布塊以 french fell seam 方式縫合成圓頂狀，傘繩材料為 Kevlar ，共12條，利用眼扣將其綁在降落傘邊。傘繩中後段集結成一束，再與金屬掛鉤結合，掛鉤將固定於箭身中。圖?為研發中的降落傘設計圖，圖?為實測開傘圖。
 

## 任務流程架構
本次計畫的主要任務目標有三：1. 將火箭送至 10000ft 的高空、2. 投放酬載(立方衛星)、3. 立方衛星投放滑翔機及探測車。而在達成這三項任務過程中有幾項技術重點：箭體的流體、航電系統穩定性、減滾系統、開傘系統及降落傘。通過達成三項任務目標來驗證這些子系統的運作便是本計畫的初衷。本節會展示某些子系統的流程架構。圖?為最終比賽的飛行流程概念圖。
### 飛行流程概念圖
#### 階段 1: 點火 & 起飛
本階段航電系統會先初始化並檢查各系統是否正常運作。檢查完成後會回傳地面站訊息，並開始等待地面站倒數訊息。一旦倒數開始，航電板會開始記錄各式數據，並且同時等待地面站是否傳送終止訊息。若無接收任何終止訊息，則傳遞訊息給地面點火器並點火起飛。
#### 階段 2: 發動機熄火 & 超音速
本階段火箭起飛離架，此階段為最重要且最容易失敗的階段。起飛後至發動機熄火期間，火箭會加速至超音速階段並在發動機熄火前降回亞音速。
#### 階段 3: 減滾 & 達至高點 & 投放酬載
本階段從發動機熄火開始至投放酬載。當時間來到起飛後 20 秒時，此時火箭速度也降至 0.1 倍音速，對火箭的風壓大幅降低，火箭的轉矩也大幅降低。此時啟動溜溜球減滾，預估減滾時間為 1~2 秒(取決於初始旋轉速度)。並在第一階段減滾完成後啟動第二階段減滾，開啟反應輪控制。當時間來到 25 秒時，火箭達到至高點，並投放酬載。
#### 階段 4: 開傘
本階段從火箭投放籌載至開傘成功。火箭及酬載皆會在兩秒後獨立開傘，目的是待兩者遠離彼此後再開傘，以免導致傘繩交纏打結。兩者航電皆會檢測是否開傘成功，若開傘失敗兩者皆配備備用傘，以防萬一。
#### 階段 5: 立方衛星投放滑翔機
本階段從開傘完成至投放滑翔機。當立方衛星開傘完成後，航電將會檢測立方衛星是否下落速度達至終端速度。當衛星不再加速下落後便會啟動反應輪減滾，目的是為了可以順利投放滑翔機。當衛星下落至 400 呎以下時投放滑翔機。
#### 階段 6: 落地 & 立方衛星投放探測車
本階段從落地後開始。當航電檢測到立方衛星觸地，便會投放探測車。同時停止火箭及衛星的反應輪控制。
### 航電啟動流程圖
### 任務流程圖
### 立方衛星運作流程圖

## 測試設備
### 推力測試台
為了測試發動機的推力曲線，以提供飛行高度模擬精準的推力數據。推力測試台不可或缺。由於台灣本身缺乏市售的相關產品，我們獨自設計並製作了推力測試台。該推力測試台必須要有可以測試不同尺度的發動機，可以測試從 K~O 級別的發動機。且必須要絕對安全，所以推力台由 5mm 厚的鋁板包覆以確保發動機爆炸時不會波及到旁邊的物體。而此推力台的安全係數約為 2.5 ，本計畫所測試最大的發動機峰值推力約為 300kgf，而該推力台可以正常承受 800kgf 的推力。圖?為推力台設計圖，圖?為研發中的推力台。
 
### 飛試發射架
在正式比賽前，我們規劃了數次飛試。為了直接模擬比賽狀況，實際需要好幾次飛試。然而台灣也沒有市售如此規模的發射架，所以我們設計並製作了一款由立布及鋁擠製作的發射架。該發射架可以輕易拆裝，提供了我們運送的便利性。且該發射架總重約 20kg，也可以打地釘來強化穩定性。因此可以負擔本次約 30kg 的火箭發射。圖?為發射架的設計圖，圖?為研發中的發射架。
 
### 玻纖上膠架
為了製作火箭的箭體，使用玻纖製作時必須要有特殊工具。而這個工具需要讓樹脂可以均勻塗抹在玻纖管上，且在晾乾玻纖時樹脂不會因為重力而集中在管身下側。該工具就是玻纖的上膠架，它可以在塗抹樹脂時自由轉動，提升均勻塗抹的方便性，並且在上膠完成後，在轉軸上裝上皮帶便可以通過外部電機來慢速旋轉，以此防止樹脂在晾乾時向單一方向集中。圖?為上膠架的設計圖，圖?為研發中的上膠架。
## 時間規劃
## 預算規劃