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title: 技術分享發文
tags: [Administration, FAR2023]

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# 技術分享發文
###### tags: `Administration`

## 項目
1. - [x] 鼻錐 (其宇)
2. - [x] 玻纖管 (德慶)
3. - [x] 降落傘 (湲晨)
5. - [x] 推進劑製作   (子凡)
6. - [x] 發動機 (子凡、柏漢)
4. - [x] 爆炸艙 (楷鈞)
8. - [x] 航電  (庭瑋)
9. - [x] 尾翼 (柏漢)
10. - [ ] 滑翔機 (柏漢)
11. - [ ] 立方衛星 (子承)
12. - [ ] 計畫總覽/懶人包
13. - [ ] 計畫緣起

## 發文排程
- [發文排程](https://docs.google.com/document/d/1k_zstjT1Wvkq8trBDZj5yBc7jbwE2Buh/edit?usp=sharing&ouid=108226374544795788120&rtpof=true&sd=true)


## 文案

#### 鼻錐
【FAR-51025 技術分享 - 鼻錐篇】【比賽倒數 1 個月】
:::spoiler 原文

在這距離遠赴美國參與火箭比賽倒數的1個月中，我們會開始分享一路走來所研究的心得。首先就由火箭的尖端-鼻錐，來衝破大氣所產生的一切阻力，讓我們一飛衝天，一路飛向美國的天空。
卡門線，一條將大氣與太空切開的分界線。通常表示距離約海拔 100 公里的高度，以上為外太空，以下則為大氣層。而所有在這條線底下高速移動的物體都擺脫不了一個難題-空氣阻力。小至汽機車，大至高鐵、飛機等都需要通過設計來降低空氣阻力aka風阻，火箭也不例外。而能有效降低風阻進而提升飛行高度的設計，就是我們今天的主角-鼻錐(nosecone)。
但是，要如何設計鼻錐來降低風阻呢？鼻錐的形狀應該要長的如何呢？主流的鼻錐有幾種形狀，這些形狀在不同的速度下會有不同的風阻。我們可以從 Missile Configuration Design[1] 中參考一個比較圖。我們這次的火箭最高速度會飛到 0.9 倍音速(馬赫)，進入穿音速階段(0.8~1.2馬赫)，但使用的形狀為 Ogive。從比較圖中可以看到 ogive 在穿音速階段的效率極差，但由於火箭大部分飛行的時間都低於穿音速，穿音速階段只有約 1.5 秒。所以其實效果影響不大。另外 ogive 有一個很好的優點，就是形狀簡單，這意味著加工也容易。
鼻錐除了降低風阻的效果外，還有一個很重要的功能，配重。火箭要飛得好，穩定度很重要。對於沒有主動控制的火箭來說，被動穩定度會極大影響火箭飛行的成功與否。而穩定度是由重心及壓心的相對位置影響。通常在火箭尾部的發動機都會占大部分的質量，此時重心會太靠後，進而導致穩定度太低而翻掉。在沒有其他酬載的情況下，使用鼻錐的重量來提高重心就會很有效率。然而即便如此，這樣的配重始終屬於呆重，當火箭飛到至高點後便再無意義。降落傘就必須承受不必要的重量，且越高的重量代表越大的降落傘，就代表越大的重量，更低的飛行高度。所以最好的方法就是當配重不再有用時拋棄掉。就如同土星五號，為了更高的效率必須在燃料用完後丟棄分節。因此我們使用水來做配重，並在開傘後將鼻錐中的水全數排出。從圖中可以看到，除了儲水艙外，還有錐尖、通氣管等結構。由於火箭會進入穿音速，此時空氣阻力對鼻錐所產生的力量及摩擦產生的溫度都會對其結構產生一定的破壞，因此使用鋁製錐尖可以大大增強其承受能力。同時錐尖也是一個蓋子，防止內部的水在飛行時因震動濺出。當火箭到達至高點後開始自由墜落時，鼻錐會被開傘系統推離火箭，並且當降落傘完全開啟後，鼻錐會倒掛在傘繩上，此時錐尖受到重力的下拉而被拉出鼻錐，內部的水也會傾洩而下。由於鼻錐內部的水量可達約 5 公升，大量的水從洞口一湧而出會因為大氣壓力的關係導致出水不順。這個過程會產生大量的氣泡及震動，雖然對整體系統影響不大，但簡單的一個設計可以消除這樣的震動，就是通氣管。當鼻錐在倒水的時候，通氣管作為空氣進入儲水艙的通道，使大氣壓力可以順利進入儲水艙，而不會被水給擋住。此時內部的水可以順利地流出並不會產生任何氣泡及震動。
對於該鼻錐的設計看似簡單，但為了達成這一連串的任務也設計了好幾個差異化很大的版本。就如同所有的設計一般，很難一蹴可幾。但在迭代的過程當中可以深刻的體會到進步，反而是越設計越簡約有力。這裡就很適合套用一句 Elon Musk 說過的話： *"The best part is no part."* 最好的零件就是沒有零件。
![](https://hackmd.io/_uploads/rJJ_o7AQn.png)
![](https://hackmd.io/_uploads/B119-EC72.png)

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:::spoiler  {state="close"} 修改後
在這距離遠赴美國參與火箭比賽倒數的1個月中，我們會開始分享一路走來所研究的心得。首先就由火箭的尖端-鼻錐，來衝破大氣所產生的一切阻力，讓我們一飛衝天，一路飛向美國的天空！

卡門線，一條將大氣與太空切開的分界線。在這條約 100 公里高的線以下，所有的移動物體都逃脫不了"撞牆"的宿命，只是這道牆是看不見的-空氣阻力aka風阻。
由於風阻對速度的平方成正比，所以速度越快風阻越高。很不巧的，我們的火箭就是一個要承受巨大風阻的超大型沖天炮，所以能有效衝破這道牆壁的**鼻錐**就至關重要。
如何設計鼻錐來降低風阻呢？主流的鼻錐有好幾種形狀，我們可以從 Missile Configuration Design[1] 中參考一個比較圖。可以從圖中看到，不同形狀的鼻錐在不同速度下有不同的效果。由於本次參賽的火箭最快會達到 0.9 倍音速(馬赫)，屬於穿音速階段(0.8~1.2馬赫)，可以看到 L.V.H 跟 V.K. 有著最好的效果。所以我們理所當然的使用了 Ogive 作為我們的鼻錐形狀。
？？不對阿，阿圖上不是寫 Ogive 在穿音速效率很差嗎，幹嘛不用剛剛提到的那兩個？其實是因為雖然火箭進入了穿音速，但實際只持續了 1.5 秒左右而已，能產生的影響微乎其微，而在低於穿音速下，圖片上的鼻錐彼此的風阻差異不大。所以便選擇了 Ogive 這種簡單、好加工的形狀。
除了降低風阻外，鼻錐還有一個很重要的功能-配重。火箭要飛太遠，又不會太危險。穩定度一定要大拇指的啦。沒有穩定度，哪來的大拇指。而穩定度受到重心及壓心的相對距離影響，因此當位在尾端的發動機佔火箭大部分的重量時，穩定度會因為重心太靠後而過低(壓心不變情況下)。雖然壓心可以通過增加火箭尾翼大小來後移，但尾翼不能無限加大，一方面是容易撞到發射架，另一方面是風阻會增加。因此使用鼻錐配重來將重心往前移就變得非常有效率(在沒有額外酬載前提下)。
BUT！當火箭飛到至高點後，鼻錐的配重將不再重要，此時配重就成了呆重。為了拉動這堆沒用的"肉"，降落傘要更大，更大代表更重、飛得更低更遜。所以要想辦法把這坨肉丟掉。
OK，那我飛到至高點後就直接丟掉不就好了？嗯，很有道理，那我乾脆發動機也丟掉，箭體也丟掉，降落傘下來就好(Nice~)...如果我在太平洋的話。為了不讓我們的小命不保，這坨肉必須要在丟掉後被老鷹叼走...或是我用水取代這坨肉。
可是可是， 5 公斤重的水從 3 公里高空砸下來，重力 + 速度會把人砸死吧？嗯，好像有點恐怖，不過老天爺已經幫我們做過實驗了，至少我是沒聽過被雨砸死的案例。
總之，從剖面圖上可以看到鼻錐的內部有著 5 公升的儲水艙，且有著鋁製的錐尖充當蓋子。為什麼要用鋁製的錐尖呢？~~(因為帥啊)~~ 還記得穿音速嗎？越接近音速，氣動壓力越大，作用在鼻錐的應力也越大。同時摩擦所帶來的熱量也不容小覷。雖然還沒超音速，不會因為音爆而受到巨大衝擊，但在鼻錐表面的局部有機會小小地超音速(音爆)，所以用鋁製的錐尖可以提升強度 ~~(絕對不是因為很帥)~~。
錐尖同時還是蓋子，可以防止飛行中的震動使水飛濺而出。在開傘時，鼻錐會被推離火箭，並且最終倒掛在降落傘繩上。此時錐尖會受到重力而掉出，水也會傾洩而下。一切都如此完美。
那，通氣管要幹嗎？
你知道要如何快速的倒完裝滿水的寶特瓶嗎？捏扁寶瓶不就好了(鼻錐瑟瑟發抖中...)。
為了不讓任何鼻錐在本賽事中受到傷害，一個簡單且實用的設計就此誕生。直接將水倒出寶特瓶通常會產生一堆氣泡及震動，雖然最後也能倒完，但總是不夠優雅。通氣管的功能就是給無處可去的大氣壓力一個後門。原本大氣壓力必須跟錐口內的水互相推擠，很容易產生氣泡，並且當氣泡進入儲水艙的空腔時，破掉的瞬間會產生震動，水就會咕嚕咕嚕的倒出。但有了通氣管，大氣壓力可以輕鬆的鑽入，不會跟水打架。此時水就會ㄙㄨㄚˋ的一下，輕鬆秒殺。
以上便是本次比賽中，鼻錐設計的技術分享，一切都是如此的優雅~
鳩都媽跌，如果錐尖會掉出，那不就成了懶狗子母彈？突然從運載火箭便成攻擊型飛彈，一箭多用ㄟ。等等，好像有人在敲門，我先去應個門......。
雖然圖上沒標示，但其實是有一條繩子連接著錐尖及通氣管支架，防止完全掉離鼻錐。這樣佛伯樂就可以放心了~

鼻錐的設計看似簡單，但為了達成這一連串的任務也設計了好幾個差異化很大的版本。就如同所有的設計一般，很難一蹴可幾。但在迭代的過程當中可以深刻的體會到進步，反而是越設計越簡約有力。這裡就很適合套用一句 Elon Musk 說過的話： *"The best part is no part.* *最好的零件就是沒有零件"* 。
所以我們下一代的鼻錐就是沒有鼻錐！敬請期待~

P.S. 寫完才發現根本沒講鼻錐的材質是什麼，又有點懶得想梗了。就用一句話結束吧~
「為了讓 3D 列印 PLA 的鼻錐可以承受風壓及加速度，外層會使用玻璃纖維加固。」

[1] Chin, Sheung Sher. _Missile configuration design_. McGraw-Hill, 1961.

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#### 火箭箭身

:::spoiler 【FAR-51025 技術分享 - 火箭箭身篇】

　　箭身，一個火箭上最容易被忽視的部分，卻是承載了所有系統的重要部分，常有人說發動機是火箭中的心臟，而箭身便是支撐著心臟的骨幹，隨著這顆心臟越來越大、越來越強壯，火箭的這副骨架也必須長得越來越粗壯、堅固自然才能支撐住一圈比一圈大的發動機。
　　箭身設計的道理是如此，但實際的問題是怎樣的箭身足夠扛住發動機動輒高達數百公斤的推力？怎樣的箭身才能支持一支重達40公斤的火箭飛至三公里？我們的答案是利用玻璃纖維加固紙管。沒錯！紙管，聽起來極其脆弱的紙管，這方案聽起來不怎麼可靠，但在我們這幾個月的實作中卻發現這是最為可行的方案
，原因大致有三：
1.	紙管厚度：
紙管本身夠厚，厚達四、五毫米的實心紙管本身能承受的力量便以較印象中大上許多
2.	環氧樹脂的加強：
雖然日常生活中，紙的強度非常弱，常常一拉就破，但在微米尺度下可以發現紙其實是由長度數毫米甚至數公分抗拉強度不亞於金屬的紙纖維構成，紙張脆弱的原因追根究柢制是因為紙纖維間沒有凝聚力將它們團結在一起，而在製作中滲透進紙纖微間的環氧樹脂便補足了這個不足，它將無數的紙纖維黏合在一起，使整個紙管的強度得到了飛躍性的成長
3.	複合材料外殼：
為了進一步加強箭身以保證飛行的安全，我們在表面用玻璃纖維混合環氧樹脂製成的複合材料做加強，這種材料和上面說到紙張被環氧樹脂加固的原理類似，但是其中的紙纖維被換成了抗拉強度動輒高達鋼鐵兩三倍的玻璃纖維，由這種材料製作出的複合材料即使是弱面強度也常常不亞於鋁合金
　　因為在上述的三個原因的加持下，我們製作出的箭身便能輕易地承受住火
箭發動機的推力，帶著火箭上的所有系統衝上藍天。

P.S. 由於社團空間狹小，照片背景雜物很多，請大家多多包涵 QQ

![](https://hackmd.io/_uploads/ryJaQUIEh.jpg)
![](https://i.imgur.com/ecdSux4.jpg)

修改後：
箭身，一個火箭上最容易被忽視的部分，卻是承載了所有重要的系統。常有人說發動機是火箭中的心臟，而箭身便是支撐著心臟的骨幹。隨著這顆心臟越來越大、越來越強壯，火箭的這副骨架也必須長得越來越粗壯、堅固自然才能支撐住一圈比一圈大的發動機。
　　箭身設計的道理亦是如此，但實際的問題是怎樣的箭身足夠扛住發動機動輒高達數百公斤的推力？怎樣的箭身才能支持一支重達 40 公斤的火箭飛至三公里高空？我們的答案是利用玻璃纖維加固紙管。沒錯！紙管，聽起來極其脆弱的紙管，這方案聽起來不怎麼可靠，但在我們這幾個月的實作中卻發現這是最穩健的方案。
原因大致有三：
1. 紙管厚度：
紙管本身夠厚，厚達四、五毫米的實心紙管本身能承受的力量便已不容小覷。
2. 環氧樹脂的加強：
雖然日常生活中，紙的強度非常弱，常常一拉就破，但在微米尺度下可以發現紙其實是由長度數毫米甚至數公分抗拉強度不亞於金屬的紙纖維構成，紙張脆弱的原因追根究柢制是因為紙纖維間沒有凝聚力將它們團結在一起，而在製作中滲透進紙纖微間的環氧樹脂便補足了這個不足，它將無數的紙纖維黏合在一起，使整個紙管的強度得到了飛躍性的成長。
3. 複合材料外殼：
為了進一步加強箭身以保證飛行的安全，我們在表面用玻璃纖維混合環氧樹脂製成的複合材料做加強，這種材料和上面說到紙張被環氧樹脂加固的原理類似，但是其中的紙纖維被換成了抗拉強度動輒高達鋼鐵兩三倍的玻璃纖維，由這種材料製作出的複合材料即使是弱面強度也常常不亞於鋁合金。
因為在上述的三個原因的加持下，我們製作出的箭身便能輕易地承受住火箭發動機的推力，帶著火箭上的所有系統及夢想衝上藍天。

P.S. 由於社團空間狹小，照片背景雜物很多，請大家多多包涵 QQ
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#### 降落傘
:::spoiler 【FAR-51025 技術分享 - 降落傘篇】(初版)
在模型火箭成功飛上天之後，接著我們最關心的就是要如何完好的回收火箭？為了防止火箭重重的摔在地上，撞成一團碎片，我們需要降落傘幫助自由落體下墜的火箭減速。當降落傘在空中開傘後，其造成的空氣阻力最終將會與火箭的重力互相抵銷，達到力平衡的狀態，讓火箭以等速度降落，我們將其稱為終端速度。阻力的公式為：阻力D=0.5r * Cd * v^2^ * A。其中r為空氣密度，Cd為阻力係數，v為物體速度，A為降落傘傘布總面積。剛才提到，阻力大小最終會與重力相等，作用方向相反，因此能夠得到D=W=0.5r * Cd * v^2^ * A，此時的v為終端速度。
在製做降落傘之前，我們會利用公式計算出降落傘的面積大小。已知空氣密度，確認火箭總重及阻力係數，帶入期望的終端速度後，便能利用剛剛的不等式W=0.5r * Cd * v^2^ * A求出傘布面積A。

得到降落傘重要的參數之後，就可以進入設計與製作的環節了。首先是形狀的部分，我們選擇製作圓形的降落傘。它的好處在於開傘速度快，並且飛行較為穩定，而缺點在於缺乏操控性，環境(例如風)會影響它落下時的水平位移。圓形的傘會由12塊相同大小的傘布縫合而成，用電腦計算出符合所需總面積的形狀，打印出來製作成模板後再開始裁剪布料。
接下來是傘繩。其長度的計算，在不影響降落傘阻力係數的情況下，至少需大於傘布完全張開後的投影圓半徑，而太長的繩子容易互相纏繞打結，所以傘繩長度會設計的稍微大於傘布投影圓半徑，尾端會連接金屬環，用於連接火箭。
集束後的傘繩會和一條足以撐得住火箭重量&開傘瞬間衝擊力的繩子連接。在這次的火箭當中，有大小兩副降落傘，較小的為酬載(立方衛星)降落傘，較大的則為主傘，小傘與另外繩子連接的目的是為了增加降落傘整體的長度，而大傘則比較特殊，繩子的兩端會分別與鼻錐和火箭內部連接，降落傘透過金屬環連在之間，讓鼻錐炸出釋放酬載後還能與箭身連在一起，達成火箭完整體的回收。

至於降落傘的材料，我們使用的是表面有格子紋路的防撕裂尼龍布，它特殊的十字編織結構可以阻止撕裂擴大的範圍，且裁剪後不會出現毛邊，同時還有防水、耐磨、輕盈等特性。傘繩使用輕質尼龍繩，強韌同時具有彈性，能在開傘瞬間達到些許減震的功能。

以上就是降落傘的原理及設計啦！雖然降落傘的製作看似簡單，但是在設計時需要考量到許多結構上的問題(例如傘布之間的接縫處、傘布與傘繩的連接強度是否足以撐起開傘瞬間衝擊力等等)，而且過程非常繁瑣，需要很多的耐心以及靈巧的雙手才能順利完成(剛好我都沒有，QQ，每次都做到精神不正常)，真的不容易！但是當火箭完成飛行任務，看到親手製作的降落傘在空中成功開啟時，心中會有很強大的滿足感，之前受的所有苦痛就會消失得一乾二淨！希望我們親自設計&製作的降落傘可以在這次的FAR比賽中順利打開，使這好幾個月來，大家辛苦研發出的火箭能夠優雅的降落在發射場上，並且往後被好好的保存。
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:::spoiler 【FAR-51025 技術分享 - 降落傘篇】(ver. β)
當火箭成功升空後，我們最關心的問題之一就是如何有效地回收火箭。為了避免火箭摔落地面並變成碎片，我們需要使用降落傘來幫助火箭減速自由下降。當降落傘在空中展開後，它所產生的空氣阻力將逐漸與火箭的重力相抵銷，達到力平衡狀態，使火箭以恆定速度下降，我們稱之為終端速度。阻力的公式為：D = 0.5 * r * Cd * v^2 * A，其中r代表空氣密度，Cd代表阻力係數，v代表物體速度，A代表降落傘總面積。根據重力與阻力相等的條件，我們可以得到等式D = W = 0.5 * r * Cd * v^2 * A，此時的v即為終端速度。

在製作降落傘之前，我們可以使用這個公式來計算所需的降落傘面積。已知空氣密度、確定火箭總重和阻力係數，將期望的終端速度代入不等式W = 0.5 * r * Cd * v^2 * A中，我們就可以求得降落傘的面積A。

獲得降落傘的重要參數後，接下來就可以進入設計和製作的階段了。首先，我們選擇製作圓形的降落傘形狀。這種形狀的優點在於開傘速度快，並且飛行較為穩定，但缺點是操控性較差，受到環境因素（例如風）影響時可能會有水平位移。圓形傘由12塊相同大小的傘布拼接而成，使用電腦計算出符合所需總面積的形狀後，製作成模板並開始裁剪布料。

接下來談談傘繩的部分。在考慮降落傘阻力係數不受影響的前提下，傘繩的長度至少需要大於傘布完全展開後的投影圓半徑。然而，過長的傘繩容易纏繞和打結，因此我們會稍微增加傘繩的長度，同時在尾端連接一個金屬環，用於與火箭連接。

集束後的傘繩會與一條足以承受火箭重量和開傘瞬間衝擊力的繩子相連接。在這次的火箭中，我們使用了兩副降落傘，一個較小的用於酬載（立方衛星）降落，而另一個較大的則是主傘。小傘與額外的繩子連接是為了增加降落傘的整體長度。而大傘則有些特殊，傘繩的兩端分別與鼻錐和火箭內部連接，降落傘通過金屬環與它們相連，這樣當鼻錐釋放酬載後，它仍然能與火箭本體保持連接，實現火箭的完整回收。

至於降落傘的材料，我們使用了具有格子紋路的防撕裂尼龍布。這種特殊的十字編織結構可以阻止撕裂擴大的範圍，同時在裁剪後不會出現毛邊。此外，這種布料還具有防水、耐磨和輕盈等特性。傘繩則使用了輕質尼龍繩，它既堅韌又具有一定的彈性，能在開傘瞬間提供一些減震功能。

以上就是降落傘的原理及設計啦！雖然降落傘的製作看似簡單，但在設計時需要仔細考量許多結構上的問題，例如傘布之間的接縫處、傘布與傘繩的連接強度是否足以承受開傘瞬間的衝擊力等等。製作過程相當繁瑣，需要大量的耐心和靈巧的雙手才能順利完成（剛好我都沒有，QQ），真的非常不容易！然而，當火箭完成飛行任務並且親眼見證自己親手製作的降落傘在空中成功展開時，心中會湧上極大的滿足感，所有之前的辛苦和痛苦都將一掃而空！希望這次我們親自設計和製作的降落傘能在FAR比賽中順利展開，使經過數月辛苦研發的火箭能夠以優雅的方式降落在發射場上，並且得到妥善保存。
![](https://hackmd.io/_uploads/SJY62rt4n.jpg)
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#### 降落傘及立方衛星彈射結構

:::spoiler 【FAR-51025 技術分享 - 降落傘及立方衛星彈射結構的技術大綱】 (初版)

試想一下，重達40公斤的火箭飛到空中，若直接掉到地上，那鐵定是要出大事了，除非你是鋼鐵人，或是綠巨人，但我想如果你跟我一樣，只是普通人的話，那我們就應該來想一下如何減少火箭的掉落速度，讓這個龐然大物不會在地上砸出一個大洞，上次的貼文已經跟各為介紹了降落傘的運作原理了，今天我們就來談談火箭是如何在高空中把巨大的降落傘彈出箭身達到緩衝的目的。
   
首先我們先來了解一下降落傘彈射(Parachute Ejection)結構的動力源，本次任務所採用的方法是爆炸彈射(Pyrotechnic Ejection)，承載火藥的爆炸艙(Pyrotechnic Explosive Chember - P.E.C.)由四片裝著火藥片的特殊結構構成，當火箭在高空中失去動力並持續飛行直至至高點(apogee)前，作為籌載的衛星航電系統會不停地接受箭身姿態的資料並計算適當的時機，由衛星的航電下指令，火藥片緊接著被點燃，快速膨脹的氣體充滿整個爆炸艙，此時箭體內部與外部因大量的氣體而形成的內外壓差會將火箭頂部的鼻錐整個彈出，與箭身分離。緊接著衛星降落傘隨即被拖曳而出在空中展開。降落傘完全展開後會形成一股相對於火箭本體向上的力量，把立方衛星從正在降落的火箭中拉出來，完成立方衛星的拋射任務，不過到此可還沒完，別忘了主降落傘還在艙內待命呢，因此，我們設計出了一個巧妙的解決方法，那就是利用慣性將彈出去衛星與火箭之間的相對速度差把主降落傘拖出來，緊接著經由航電的自主控制把衛星與主傘間的連結切斷，既完成了衛星的投放，也達成了火箭的降落需求。

接下來解釋一下為什麼爆炸艙要設計成四片火藥片而不是一片呢? 
理由其實很簡單 - Redundancy
四片火藥片分別由四組獨立的點火頭控制，這是為了保證降落傘能彈射順利，倘若意外發生，其中一組點火頭失靈，剩下的三組火藥片還是有能力能完成彈射任務，倘若兩組點火頭失靈，別擔心，經過測試兩組火藥片還是有能力能完成彈射任務，正因為降落傘對於火箭的安全是如此的重要，因此才必須設計多份的冗餘結構，以避免misfire的發生。

到這邊為止，聰明的各位都聽懂了嗎?
這看似簡單的結構其實蘊藏了不少技術難題跟設計巧思喔，以後有機會再跟各位一一分享吧!

![](https://hackmd.io/_uploads/SJlIpdAN3.png)
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#### 推進劑製作

:::spoiler 【FAR-51025 技術分享 - 推進劑製作篇】 (初版)

位於發動機內的推進劑，是提供整支火箭升空的動力來源。推進劑由兩種東西組合而成，燃料加氧化劑。有燃料可以理解，但是...為什麼需要氧化劑啊? 首先我們要先簡單回顧以前學校學過的，燃燒形成的三大要素就是可燃物、助燃物與溫度。可燃物就是燃料，助燃物就是氧氣，最後一個就是使可燃物與助燃物開始發生燃燒所需要達到的條件：溫度。我們可以看到飛機需要加油，但從沒聽說過飛機要加氧化劑的🤨，因為飛機引擎在飛行過程中所需要的氧氣直接由大氣中取得就可以了。不過，與在大氣中平行於地面飛行的飛機不一樣，火箭是幾乎垂直於地面發射至高空的，越高的高度則大氣越稀薄，甚至會飛到大氣濃度微乎其微的高度。沒有大氣帶來的"撒破"，火箭只能on its own，藉由自身攜帶的氧化劑來提供燃燒所需的氧氣。

我們所使用的推進劑是在英文中稱為KNSB，也就是硝酸鉀與山梨糖醇(己六醇)所組合而成的配方。其中山梨糖醇扮演燃料的角色，而硝酸鉀為何能擔綱氧化劑的重任，就是因為硝酸鉀在受熱後能夠分解出氧氣：2KNO3 → 2KNO2+O2，所以使用硝酸鉀作為氧化劑。至於兩者的比例，硝酸鉀:山梨醇是65:35。

在製作推進劑時，先把藥粉按照比例秤重，這時桌上就會擺滿一盤一盤的白色粉末(此時務必跟經過的人說明清楚這些白粉是什麼，不然真的會被誤會...)，倒入加熱爐後進行加熱，直到整體的質地不再有粉末，而是白色的黏稠液體狀(就有點像什麼嘉什麼明的)。這時，我們就可以將煮好的推進劑灌到模具裡面使其成形，冷卻，就完成推進劑藥柱的製作啦~ 但是但是!在製作推進劑時，安全裝備如護目鏡、工作手套等等的一定是不能少的，而且也真心勸戒如果不熟悉這些操作或是沒有其他有經驗的人協助，不要在家裡面亂做啊~萬一發生意外，後果可是非常嚴重的!(絕對不只跪算盤這麼簡單而已!)

整個推進劑的製作或許跟其他部分相比或許不是最困難，但卻是危險性最高的，所以絕對是需要一定經驗以及技術。同時，能夠製作出好品質的推進劑，才能使發動機正常運作，讓火箭真正實現一飛衝天的目標!

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:::spoiler 【FAR-51025 技術分享 - 推進劑製作篇】 (ver. β)

位於發動機內的推進劑，是提供整支火箭升空的動力來源。推進劑由兩種東西組合而成，燃料加氧化劑。有燃料可以理解，但是...為什麼需要氧化劑啊? 首先我們要先簡單回顧以前學校學過的，燃燒形成的三大要素就是可燃物、助燃物與溫度。可燃物就是燃料，助燃物就是氧氣，最後一個就是使可燃物與助燃物開始發生燃燒所需要達到的條件：溫度。我們可以看到飛機需要加油，但從沒聽說過飛機要加氧化劑的🤨，因為飛機引擎在飛行過程中所需要的氧氣直接由大氣中取得就可以了，俗稱intake。不過，與在大氣中平行於地面飛行的飛機不一樣，火箭是幾乎垂直於地面發射至高空的，越高的高度則大氣越稀薄，甚至會飛到大氣濃度微乎其微的高度。沒有大氣帶來的"撒破"，火箭只能on its own，藉由自身攜帶的氧化劑來提供燃燒所需的氧氣，故無法使用空氣裡的氧氣來做為助燃劑。

本次任務所使用的推進劑是在英文中稱為KNSB，也就是硝酸鉀與山梨糖醇(己六醇)所組合而成的配方。其中山梨糖醇扮演燃料的角色，而硝酸鉀為何能擔綱氧化劑的重任，就是因為硝酸鉀在受熱後能夠分解出氧氣：2KNO3 → 2KNO2+O2，所以使用硝酸鉀作為氧化劑。之所以使用KNSB作為本任務的燃料是因為其非常便宜的特性，發射一次所使用的燃料成本不到五美元，故可以大量製作並大量測試。一方面提供學員們良好的經驗累積與教學機會，另一方面才不會打幾支火箭團隊就破產QQ

KNSB這類燃料在固態燃料裡算是少數需要經過熱處理才能完成的製程，在製作推進劑時，先把藥粉按照比例秤重，這時桌上就會擺滿一盤一盤的白色粉末(此時務必跟經過的人說明清楚這些白粉是什麼，不然真的會被誤會...)，倒入加熱爐後進行加熱，直到整體的質地不再有粉末，而是白色的黏稠液體狀(就有點像什麼嘉什麼明的)。這時，我們就可以將煮好的推進劑灌到模具裡面使其成形，冷卻，就完成推進劑藥柱的製作啦~ 但是但是!在製作推進劑時，安全裝備如護目鏡、工作手套等等的一定是不能少的，而且也真心勸戒如果不熟悉這些操作或是沒有其他有經驗的人協助，不要在家裡面亂做啊~萬一發生意外，後果可是非常嚴重的!(絕對不只跪算盤這麼簡單而已!)

整個推進劑的製作或許跟其他部分相比或許不是最困難，但卻是危險性最高的，所以絕對是需要一定經驗以及技術。團隊成員為了製作出好品質的推進劑必須非常小心地做澆注等一系列動作，同時需要確保藥面能夠脫模成功並無產生任何裂痕，才能使發動機正常運作，讓火箭真正實現一飛衝天的目標!
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#### 發動機

:::spoiler 【FAR-51025 技術分享 - 發動機篇】(編輯中...)

- 編輯中...
(引言)
火箭發動機乃是火箭中最為關鍵的部分，火箭能否真正的衝破天際，完成團隊每個人的夢想，全靠火箭發動機的順利運作。
(發動機原理簡介)
作為提供升空動力來源的火箭發動機，是如何提供這個動力的呢? 想像一下你好不容易吹飽了一顆氣球(欸真的不是太容易，需要點技術XD)，你用手把吹氣的孔捏住，然後把手放開的那一瞬間，氣球就會飛出去，這全靠你辛苦吹進去的空氣，提供了氣球內部一個大於外界壓力的空氣壓力，接著我們要阿里嘎斗這個喜歡平衡的自然界，為了要平衡壓力，氣球內的空氣勢必要從吹氣孔這個單一出口排出才能平衡壓力，這時候就產生了一個氣球給排出空氣的作用力與排出空氣給氣球的反作用力啦~就是這個反作用力使得氣球可以咻的飛出去。或者，如果你學過動量守恆的話，你也可以理解成氣球把空氣用一定的速度向後丟出，那氣球自己會獲得一個反向的速度來達到動量守恆(不知道動量守恆的小夥伴們可以點擊下方連結關注更多視頻...阿不是，小夥伴們可以去google一下就會知道動量守恆是什麼囉!)
呼~講了這麼多的氣球，其實發動機的原理就是一模模一樣樣，只要把氣球換成發動機，氣球內的空氣換成推進劑燃燒後產生的高溫高壓氣體，就可以知道火箭發動機是如何提供推力給火箭本體的囉!
發動機內還有一個零件可以讓排出的氣體更快速的排出去，就是噴嘴。噴嘴的設計基本上會有一個漸縮段以及漸擴段，在這兩段的轉折點會有一處是整個噴嘴截面積最小的地方，稱為喉口。那這樣設計的原理又是啥咪鬼咚咚呢? 簡單來說你拿水管在瘋狂噴水的時候，你為了想要更瘋狂的噴，咳，把水噴的更遠的時候，會把出水口的地方壓扁，截面積縮小了，水的流速就變快了，自然而然就噴的更遠了，這就是漸縮段。但是，痾...接下來有點沒那麼好想像。如果水噴到音速這麼快的時候(喉口處)，會發生一個現象就是，想要噴的更快，不要再壓扁水管了，你要撐大水管，水才會流的更快，這就是漸擴段(對我承認這真的超奇怪...不要怪我，去怪流體力學，我無能為力😞)。

(發動機設計概念)
為了讓我們的火箭一飛沖天，首先必須有一支強而有力的發動機。一般的固體火箭發動機由三個部分組成，燃燒室(tube)、頂蓋(bulkhead)、噴嘴(nozzle)。發動機必須承受高溫高壓的氣體，通常一定量級以上的發動機都會使用金屬或碳纖等複材做為外殼，但因為使用碳纖製作過程較為繁瑣，故我們選用密度較低的鋁管作為燃燒室，但鋁無法抵抗高溫勢必需要隔熱層隔絕高溫氣體；藉由將固體推進劑澆鑄於紙管內，除了可標準化生產固體藥柱外，將藥柱放入燃燒室內可將紙管當成隔熱層，避免燃燒室鋁管直接接觸高溫氣體；但頂蓋與噴嘴較無法隔絕高溫，所以犧牲一部份重量改用不鏽鋼作為材料；另外還有一位非常不起眼但卻事關重要的角色，那就是 O-ring ，金屬與金屬要做到氣密有一定的難度，工業上往往會用橡膠墊圈去隔絕流體，而 O-ring 就是它們的其中一員，在頂蓋與噴嘴各別套上 O-ring 以隔絕燃燒室內高溫高壓氣體從縫隙流向外界。

(發動機製作技術)
在選定好各部件所使用的材料後，為節省製作成本，我們決定使用現成的鋁管作為燃燒試以降低加工的花費。再藉由已知的參數(鋁管尺寸)與 Richard Nakka 網站所提供的設計軟體 SRM(Solid Rocket Motor Design) 進行分析&設計。再輸入一系列的參數進SRM後可求得發動機的模擬推力曲線，將此曲線匯入火箭設軟體 "OpenRocket" ，並進行模擬檢驗火箭是否可達到任務目標高度；持續修改數據並重複上述步驟，直到模擬結果與目標符合便可進入下一步組件設計。

依照已知的參數與分析設計時的數值，繪製3D圖檔，並規劃O-ring槽、螺絲孔(或螺牙)及其他細節，完成後放入模擬軟體檢查結構強度是否足夠，同時以簡單材料力學公式計算各項應力有無在安全範圍內；接著，各部件都完成設計與檢查後，便可進入加工環節啦！將不銹鋼棒料放入車床，並按照設計圖尺寸進行車削，最終發動機便製作完成了~可喜可賀！

但是在實際裝入火箭飛上天之前，還有一項緊張又刺激的環節，那就是推力測試。在這之前所幼的數據都是模擬出來的，沒有實際點火測試永遠不會知道會不會發生預料之外的事情，而燃燒又是一項複雜且變數多的行為，所以推力測試對於一款新的發動機非常重要。高溫與高壓往往伴隨著風險，而隨著發動機量級的上升，危險性也隨之提升，我們必須以謹慎小心的態度來看待推力測試，絕對不可玩笑。
成功的推力測試結束後，拿到的數據終於與實際飛行相去不遠啦！於此我們便可回頭檢驗實際與模擬的數據相差多少，以及將推力數據匯入OpenRocket內模擬火箭有沒有到達任務目標高度。在進行全方位檢查無誤後，這項火箭中最關鍵、最難以捉摸的部分就完成了！

火箭發動機從整個設計、製作到測試的過程中，的確能夠讓人在其中了解以及學習到不少技術與知識，但其危險程度是遠高於其他部分的，尤其是在測試階段，所以強烈建議對發動機有興趣、想要自己動手設計與製作的朋友們，一定要找經驗豐富的專業人士從旁指導以確保自身安全喔!

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:::spoiler 【FAR-51025 技術分享 - 發動機篇】(已完成)
火箭發動機乃是火箭中最為關鍵的部分，火箭能否真正的衝破天際，完成團隊每個人的夢想，全靠火箭發動機的順利運作。

本次任務採用的固態燃料發動機基本上由三個部分組成，燃燒室(combustion chamber)、頂蓋(bulkhead)、噴嘴(nozzle)。發動機必須承受高溫高壓的氣體，本次任務選用價格相對親民的6061鋁管作為燃燒室，但由於鋁材的熔點約落在600攝氏度上下，在燃燒過程的高溫環境下勢必需要額外放置隔熱層隔絕高溫燃氣去對於管壁做直接的接觸；藉由將固體推進劑澆鑄於紙管內，除了可標準化生產固體藥柱外，將藥柱放入燃燒室內可將紙管當成一次性的隔熱層，避免燃燒室鋁管在燃燒的數十秒內直接接觸高溫燃氣；但頂蓋與噴嘴較無法隔絕高溫，故犧牲一部份重量改用不鏽鋼作為材料；另外還有一位非常不起眼但卻事關重要的角色，那就是 O-ring ，金屬與金屬要做到氣密有一定的難度，工業上往往會用橡膠墊圈去隔絕流體，而 O-ring 就是它們的其中一員，在頂蓋與噴嘴各別套上 O-ring 以隔絕燃燒室內高溫高壓氣體從縫隙流向外界，至於要怎麼設計O-ring的部分，那又是另一套工業標準，又是另一段故事了(菸。

在選定好各部件所使用的材料後，再藉由已知的參數進行分析&設計求得發動機的模擬推力曲線，先初步進行大略的模擬，繪製出模擬的火箭飛行曲線以檢驗火箭是否可達到任務目標高度；持續修改數據並重複上述步驟，直到模擬結果符合安全指標、任務裕度等各項指標便可進入下一步組件設計。依照已知的參數與分析設計時的數值，繪製3D圖檔，並規劃O-ring槽、螺絲孔(或螺牙)及其他細節，完成後放入模擬軟體檢查結構強度是否足夠，同時以材料力學公式計算各項應力有無在安全範圍內；接著，各部件都通過安全審查與復算後，便可進入加工環節啦！

本次任務的所有次系統都是團隊成員自行設計、製造、測試的，發動機當然也不例外。將金屬件放上車床、銑床等機台並按照設計圖尺寸進行機械加工，經過一系列的檢查被罵退貨重作摧枯拉朽後(下略二十萬字辛酸的檢討報告與會議紀錄)，最終發動機便製作完成了~可喜可賀！輕輕鬆鬆！

但是在實際裝入火箭飛上天之前，還有一項緊張又刺激的環節，那就是推力測試。在這之前所有的數據都是模擬出來的，沒有實際點火測試永遠不會知道會不會發生預料之外的事情，而燃燒又是一項複雜且變數多的行為，所以推力測試對於一款新的發動機非常重要。高溫與高壓往往伴隨著風險，而隨著發動機量級的上升，危險性也隨之提升，我們必須以謹慎小心的態度來看待推力測試，絕對不可玩笑。
每一次的推力測試除了有行前會議、測試SOP、風險管理、安全協議、緊急操作程序、測試指定執行職務等一系列規範跟嚴格的程序以外，相關場所與機關的報備也是不可或缺的！

在推力測試的影片中，可以看到發動機整隻包括其外部的加固結構與推力測式台架都被直接埋進沙土裡進行覆蓋，推力測試人員也必須隨時戴著工程帽、護目鏡不可脫下，即使安全係數的把控已經相當穩定仍然不能放過任何可能會失控的因素。火箭工程就是這樣，你知道他一定不會出錯，他就是會給你出錯（攤手

成功的推力測試結束後，拿到的數據終於與實際飛行相去不遠啦！於此我們便可回頭檢驗實際與模擬的數據相差多少，以及將推力數據匯入OpenRocket內模擬火箭有沒有到達任務目標高度。在進行全方位檢查無誤後，這項火箭中最關鍵、最難以捉摸的部分就完成了！

火箭發動機從整個設計、製作到測試的過程中，的確能夠讓人在其中了解以及學習到不少技術與知識，但其危險程度是遠高於其他部分的，尤其是在測試階段，所以其實完全不鼓勵自己在家裡自行搗股，同時強烈建議如果真的對發動機／推進技術有興趣的朋友們，一定要找經驗豐富的專業人士從旁指導以確保自身安全喔!
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#### 航電

:::spoiler 【FAR-51025 技術分享 - 航電篇】

航電，整支火箭的大腦，舉凡通訊、姿態控制、開傘等都是藉由航電系統去實現，為了達到這些功能，我們需要蒐集環境中的各項數據（像是溫濕度、氣壓、加速度、箭體姿態等...），最後再經由一系列複雜的邏輯判斷來做出決策與控制，說到這裡有沒有覺得這些功能就是一台電腦要做的事情呢？但我們不能也不可能把整台家用主機塞進火箭裡面，這時候名為 MCU 的 ic 就登場啦！大家最常見的 MCU 應該就是在高中生活科技課會用到的 Arduino 板子上，但要讓 Arduino 一次麼進行那麼多的資料蒐集和計算，顯然不切實際，這時候我們就需要更快的 MCU 來應付我們複雜的計算量，所以我們選用了效能與功能較為強大的 ESP32，它不僅有多種模組封裝可以選擇，開發也如同 Arduino 一樣簡單。

我們選定了航電的大腦，但是其他部分要怎麼辦？要怎麼知道現在的溫度、高度與速度？總不能放一支水銀溫度計吧（？）這時候就可以搭配各種不同的感測器晶片，再將這些晶片與 MCU 也就是火箭的大腦還有電池等其他電路整合到一塊電路板上，就變成了一塊精巧的小電路板（PCB）因為用到了 ESP32 這顆 MCU ，所以我們將這塊航電板的名字取名為 "Avionics ISP32"！

為了讓我們的火箭遠在幾公里的高空還能與地面通訊，讓我們在控制臺前也能及時的知道火箭上的狀況，通訊在這個時候就派上用場了，FAR 火箭中我們用了 LoRa 這個長距離的通訊協定，將遠在天邊的資料經由電磁波送回我們手中。

解決了硬體問題，再來就是軟體了！如果沒有好的軟體去驅動電路板，設計精良的航電板都是一塊昂貴磚頭。一般小電器中的 MCU 韌體都是使用 infinite loop 的方式撰寫所需要的程式，也就是在軟體中有一個無窮迴圈依序的重複執行所有功能，但這時候就出現了一個問題，如果其中一個晶片壞掉了（像是溫度感測器），那程式就會直接卡在那邊，以至於其他任務無法繼續執行，這時候就需要有一個老大哥來協調了！這個老大哥就是作業系統（Operating System），更準確的說是即時作業系統（Real-time Operating System）簡稱 RTOS，有了 RTOS 的幫助，我們就可以輕鬆的撰寫複雜的程式，只需要安排好任務（Task）的優先順序，RTOS 就會自動的執行所有需要的任務，像是計算高度、回傳資料、開傘等不同任務，藉由 RTOS 的管理就可以讓 MCU 知道什麼時候該做什麼事情了！但使用 RTOS 也會產生不少潛在問題，例如多個感側器通訊同時讀取需要去解決多執行緒（multi-threading）的通訊、在撰寫程式時要考慮到優先權倒置（priority inversion）以免造成意料之外的執行結果。

有了火箭上的程式，在地面的控制人員當然也想快速瞭解現在的各項數據，所以我們也開發了一套圖形化以網頁為基礎的地面站，並搭配通訊電路接收訊號，就可以在電腦中即時顯示火箭的資料與狀態。

在軟體設計領域有一句話：「不要重新造輪子」(Don't reinvent the wheel) 意指已經最佳化的東西不要再重新自己寫一次，在比賽中不管是軟體還是硬體，有大量的資訊都是參考各路大神所開源的資料，才能以更為簡單的方式創造複雜的產品，不需要自己將所有功能重新實作一次，這讓我們在開發的路上少了不少的錯誤，而我們也會將所有的電路與程式以相同的方式開源出去，希望如果以後有人要做一樣的事情，踩到的坑可以更少！

GitHub：https://github.com/ncku-isp
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#### 尾翼
:::spoiler 【FAR-51025 技術分享 - 尾翼篇】
尾翼，顧名思義就是安裝於火箭尾巴的翅膀，而火箭飛行於大氣中便是靠尾翼來保持穩定飛行。唉~但是Space X的Falcon 9、NASA的SLS等大型的火箭都沒有尾翼啊？那麼為甚麼它可以保持穩定呢？那是因為大型火箭往往都是使用控制引擎噴嘴方向進而調整火箭姿態的"主動穩定"；而尾翼穩定則是"被動穩定"，在尾翼固定於火箭上，而火箭因外界因素造成火箭偏轉時，尾翼便有攻角使其產生升力(攻角簡單來說就是翼面與氣流的夾角)，產生的升力便可使火箭有一個回復力矩使其回到原本的姿態。

因為我們的火箭無法靠調整引擎噴嘴來修正姿態，所以我們需要加裝尾翼來讓它可以穩定飛行。那麼問題就來了，尾翼應該要長成什麼形狀以需要多大片的尾翼呢？在這之前我們需要先知道"壓心"這個東西，壓心又稱壓力中心，如同我們會把一個物體的所有重量集中在重心位置一樣，我們可以把火箭所受的風集中於壓心上，如此一來便可知道風對重心的力臂有多長了。力臂的長度取決於火箭離開發射架時的速度與發射場的風速，而我們通常將其設計成火箭直徑的兩倍長。

在以上事項確認好後，我們的技能也點好點滿了，終於可以來開始設計有尾翼的火箭啦！

使用OpenRocket協助我們進行設計，軟體會自動計算壓心的位置，我們需要調整尾翼大小與形狀，如此可以使壓心前後移動。為了讓加工容易，我們通常會將尾翼設計成梯形或平行四邊形，梯形尾翼好處是火箭著陸時最先碰到地面的是箭體本身而非尾翼，便可減少尾翼因直接承受火箭重量而損壞，但需要更大片的尾翼以達到壓心理想的位置，這會讓火箭阻力有些微的上升；而梯形尾翼因為其位置可以放置於較後方，故只要小小一片就可以擁有足夠長的力臂；最終設計仍須依照火箭運用情形來選擇尾翼的形狀，重心的位置？尾翼是否需要重複利用？等情形選擇尾翼的形狀，並沒有哪一種絕對比較好。

尾翼的形狀確定之後，接著就是加工的環節啦~我們的火箭運用電木作為尾翼的材料，電牧有著結構強度足夠、材料輕而且便宜的特性，加工也方便，用線鋸機即可進行切割，節省了加工成本也不會耗時過久。

尾翼定位要精準無誤，我們利用自行設計的3D列印件與螺桿等材料製作成尾翼安裝製具，將其固定於箭身後再將尾翼插入設計好的縫隙當中，便可將尾翼平均分配於箭身一周，最後將尾翼牢牢固定於箭身上後，取下安裝製具，尾翼便完成安裝了。


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#### 滑翔機
:::spoiler 【FAR-51025 技術分享 - 滑翔機篇】
滑翔機屬於定翼飛機的一種，大部分皆無額外動力，僅依靠升力翱翔於天空。滑翔機有一個特點是具有高展弦比的機翼(主翼)，換句話說它們的機翼往往都又細又長，那為何設計成如此呢？最主要的原因是：大部分滑翔機沒有螺旋槳、噴射引擎等可以產生推力的裝置，而飛行速度會因空氣阻力而減少，展弦比愈大則空氣阻力愈小(這邊的阻力係指誘導阻力, Induce drag)，所以高展弦比的飛機有著較小的空氣阻力，如此便可以減緩飛行速度下降的幅度。除此之外，滑翔機與一般飛機一樣有垂直與水平尾翼，以保持其橫向與縱向穩定。現今滑翔機主要用於休閒觀光活動外，也有專屬於滑翔機的體育運動競賽。

講了這麼多滑翔機，但這跟火箭有什麼關係呢？難道火箭會突然長出翅膀嗎？這是一個很好的想法，不過這就是巡弋飛彈。本次任務是將一架滑翔機收納於立方衛星中，所占空間為1.5U(有關本次任務的立方衛星將於下一篇分享文中提到)，並且於火箭釋放立方衛星後，待其下降至400呎時將滑翔機彈射出艙；同時滑翔機上將搭載攝影機與圖傳系統，可將滑翔機的第一人稱視角即時傳回地面站。

第一段提到滑翔機偏向將主翼設計成又細又長，要如何將其收納於小小的空間中呢？經過多方討論後，將主翼摺疊成M字型，並讓尾翼向上摺疊收納，總翼展為56公分，機身長22公分。為了減輕總重量，機翼使用珍珠板作為翼表面的材料，並在主翼中插入吸管增加結構強度；為了將降低橫截面積以減少正向阻力，將機身與電裝融合於機翼當中，如同民航機將燃油放置於機翼中，供應攝影機與圖傳系統的電池也嵌入機翼中；而使用於圖傳的天線為5.8GHz，電池為串聯兩顆300mAh的鋰電池。

基本尺寸與電裝都確定之後，接著就是設計展開機構的環節了。為了使主翼與尾部可自動展開至定位，我們以橡皮筋作為其動力，將橡皮筋穿過主翼內的吸管，並貫穿整個主翼；但收納於立方衛星內時，在機翼摺疊處的珍珠板會因為受到橡皮筋的拉力而變形，所以在每一段機翼的兩端皆使用3D列印件代替，同時設計錐形卡榫使主翼展開時不會錯位。而尾部的展開方式則簡單使用橡皮筋掛於外部，並以鉸鍊作為轉軸。

接著進入試飛的階段，將與電裝相同重量的黏土固定於機身處，先於平面空曠處測試，觀察擲出時滑翔機的飛行軌跡，在一般情況下若機頭被劇烈抬起或下壓，可調整重心位置使其可平穩滑行，但因為電裝為固定重量、固定位置，且不希望增加額外的配重，故在水平尾翼後端切一折角，類似於飛機的升降舵，代替變更重心的方案。
最後將其從較低樓層向外的安全區域擲出，確認最終飛行狀況即完成整架滑翔機的測試，便可等期待它正式任務時翱翔於美國的天空了！

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#### 立方衛星
:::spoiler 【FAR-51025 技術分享 - 立方衛星篇】

「火箭發射如此壯觀、整體設計這麼複雜，一定能賺不少錢吧？」這是一般社會大眾對太空產業的認識，實際上發射載具的占比卻不到整體經濟的1.5%。當討論到太空經濟時，能夠提到衛星應用服務的才是行家。

然而大型衛星造價高昂，國家太空中心最新的獵風者衛星造價高達7億元、就算是SpaceX的星鏈衛星利用大量生產壓低成本，每顆也要750萬元，而且尚未包含4.5億元的發射費用。如此高昂的成本也不是每個國家都能夠負擔，更別說企業、研究單位，於是便宜、簡單、連大學都可以負擔的「立方衛星」概念就此興起！2022年1月，成大電機系莊智清教授團隊所開發的IRIS-A立方衛星發射升空並成功完成通聯，國家太空中心所開發的三顆立方衛星也在隨後數月間陸續發射升空。

本次的破風計畫中，我們準備了一顆3U的立方衛星，預計將執行滑翔機、探測車的釋放任務。立方衛星的尺寸有個特別的單位：Unit (簡稱 U )，一個 Unit 便是10x10x10公分的方塊，3U接近一個保溫瓶的尺寸。

雖然說設計相較之下更為簡單，但為了因應次系統的不同設計，我們針對不同設計目標進行了多次調整。第一版是希望能應付不同系統搭配，讓電路板容易抽換的設計；而目前版本是希望讓內部空間最大化，並且全部採用板金製作以降低成本。如此不斷調整的過程雖然累人，但回憶起來也是充滿成就感，相當有趣呢！

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### 計畫總覽
:::spoiler 【破風計畫 - 計畫緣起】





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:::spoiler 【破風計畫 - 計畫總整理/懶人包】
看完了這麼多團隊的次系統介紹，小編來為各位做個總整理

本次參加的比賽: FAR-51025，是一美國在地的年度大型火箭競賽，參賽隊伍均為世界名校的旗艦隊伍，諸如USC, UCB, UCLA, UCI, MIT, Purdue, Stanford等。他們絕大多數都是擁有著百人以上的大團隊，坐擁著百萬級別的資金，也都跟ISP一樣是全系統自行設計開發。對於ISP來說是一不可錯過的學習機會！

本次任務的標題 - 破風，承載著的是我們初次乘風破浪到地球彼端，無畏風雨的寄託與精神。

正所謂“願破狂風” - 站在風口浪尖讓大眾檢視與背負期待從來都不是一件輕鬆的事。如果前方有阻礙、有亂流；那就以此身去突破，去衝破狂風吧。
又如“乘千里浪” - 為了讓世界看見台灣，在這個世界最強國家的天空之下與其他十餘所世界名校雲聚爭鬥顯得別具意義。

本次任務的預計飛行高度達到一萬英尺，次系統包含航電、氣動外殼、發動機、回收、酬載等，其中酬載又包含立方衛星以及無人滑翔機。

而最重要的是：
「所有的次系統皆是100%自行設計自行製造的」
「所有的次系統皆是100%自行設計自行製造的」
「所有的次系統皆是100%自行設計自行製造的」

這點很重要，所以要講三次！

✔️推進系統
本次任務採N-Class KNSB實驗性固態燃料發動機作為推進器，單次燃料成本不到10美金，目標飛行高度達一萬英尺(約等於3.05公里)，發動機設計總衝量為13000Ns，4 grains, BATES port.

✔️航電系統
航電系統採用航電組自行開發的Avionic ISP32。從PCB到軟體皆是由成員自行設計與開發。其功能包含但不限於：高度檢測、姿態檢測、姿態控制、電子點火、酬載投放、影片與圖像紀錄、GPS等。並選定了LoRA作為通訊協定。

✔️氣動外殼
氣動外殼的研究是借助了上世紀人類科學對於材料科學的研究。使用玻璃纖維強化後的紙管其材料強度可媲美金屬。其質量與成本也皆被控制在使用傳統材料的20%以下。

✔️回收系統
本次任務的回收系統也皆是由成員自行開發與製造。連降落傘都是自己縫的！
開傘機構採用了爆炸開傘的方式，以電子點火頭觸發黑火藥開傘致使內部氣體快速膨脹並將艙蓋推開同時完成推出降落傘的動作。

✔️酬載
酬載有四個部分，一是鼻錐裡的水，二是立方衛星，三是滑翔機，最後是探測車。最困難的點在於要怎麼規劃投放順序以及精確的評估投放時機，這點在團隊內部也是討論了很久，最後才得出共同的結論。

最後，無論有沒有成功飛行突破天際，無論最後是否贏了或輸了，我們都應保持著運動家精神去尊重與尊敬自己的對手，同時也應尊重與認可自己過往的所有付出。
此行來美國，最重要的反而不是比賽本身，而是這整個旅途的過程。
參訪了許多的學校，與不同的團隊交流，獲取每一位成員的最大利益才是此行最根本的意義。

就讓我們拭目以待，一起祝福ISP的成員們比賽順利吧！
Ad Astra, Per Aspera!

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## 計畫成果
【破風計畫 - 成果報告】
首先，先向大家宣布敝團隊於 2023 年 6 月 3 日 參加 FAR-51025 的火箭競賽，並與來自美國各地大學及 1 隊來自新加坡，共 10 隊的團隊中脫穎而出獲得**第二名**。非常感謝各位一路以來的支持！
該項比賽為積分制，通過不同項目的積分總和來排名，而我們的總積分為 12,280。
在本次競賽中，我們的目標有以下幾項：
1. ✔️目標高度 10,000 英尺（約 3 公里）
2. ✔️自製固態發動機
3. ✔️水配重鼻錐
4. ⚠️酬載：3U 立方衛星
5. ❓酬載：無線圖傳滑翔機
6. ❌酬載：無線遙控探測車
7. ✔️箭載影像
8. ⚠️圖傳系統
9. ⚠️主傘回收火箭
10. ❓副傘回收立方衛星

✔️表示達成、❌表示未達成、❓表示不確定、⚠️表示半達成
1. ✔️實際高度 9,618 英尺（約 2.9 公里），距離目標約 100 公尺
評判實際高度的感測器為氣壓計，且除了主辦單位要求的商業航電來測高外，我們自己也有兩套航電系統可以偵測高度。而我們測出的高度為 9,745 英尺（約 2,970 公尺）。雖然距離看似還有接近 100 公尺的誤差，但其誤差實際在 5% 之內。且由於比賽當天，我們的所使用的冗於開傘系統故障，導致發射角度必須傾斜 5 度，以求安全。如果在不傾斜 5 度的情況下，誤差可以更小。
通過圖表可以看到
2. ✔️固態發動機完美運行
由於這是我們第一次發射承載該固態發動機的火箭，且製作燃料時使用的是美國當地採買的原料。所以能如此順利的運作也讓我們小小松了一口氣。該發動機在設計之初就是為了可以負擔不同原料產生的細微差異，所以特別加強其安全係數，但這同樣也帶來重量的增加。而未來則會投入更多的研究來提高穩定性同時降低重量，進而提升效率。通過本次飛行回推所得到的發動機總衝量約為 11,000 Ns。過去該發動機在測試階段也有帶來 13,000 Ns 的總衝量，並且峰值推力來到 350 公斤。這些差異可由製程以及燃料的形狀來去調整。
3. ✔️水配重鼻錐
這是本次計畫中特別的一個項目。其目的是在配重，並於火箭飛行完成後的回收階段，將鼻錐內部的水排出以降低重量。詳細內容可件於前幾篇的貼文中。而本次鼻錐也是完美運行，雖然最終無法回收鼻錐（後續會提到），但通過箭載的影像畫面，可以看到水順利的流出鼻錐，甚至可以聽到湍湍的水流聲，非常奇妙的一個體驗。
4. ⚠️酬載：3U 立方衛星
立方衛星的目標是承載滑翔機及探測車，並且要在副傘開啟後降落至約 120 公尺高度投放滑翔機，於落地後投放探測車，以上屬於第二階段。而第一階段為立方衛星上的副傘要於開啟後拉出立方衛星，再由立方衛星拉出主傘，且在拉出主傘後與其分離。
第一階段完美運行，但由於衛星最後隨風飄向北方，消失在遙遠的彼岸(X。雖然有不斷回傳 GPS 訊號，但在回收的過程中就由於電池耗盡，只能到 GPS 最後回傳的位置尋找。但由於該區域有危險動物出沒，所以無法長時間且大範圍搜尋，最終導致無法回收。而鼻錐也是通過副傘回收，所以也一同消失了。
5. ❓酬載：無線圖傳滑翔機
滑翔機的圖傳系統可以將影像回傳，但是可能由於過熱，導致最終無法看到畫面。而是否有效投放也因為立方衛星無法回收導致最終無法確定是否有效投放。而影片中可以看到立方衛星如何投放滑翔機。（好像有點可愛?）
6. ❌酬載：無線遙控探測車
本項目很可惜由於製作上有缺失導致最終無法擺放至立方衛星上，但由於該項目與滑翔機皆是獨立於整體系統外，所以即便缺失了這兩項也不會影響整個計畫進行。
7. ✔️箭載影像
該影像是目前最令人振奮的部分，這對我們來說就像是過往在網路上看到其他火箭，拍攝出地平線的弧線。而我們能拍攝出這樣的畫面，不僅僅是被畫面本身感動到，對於自己的進步也感到開心。
8. ⚠️圖傳系統
很可惜本次的所有圖傳系統，包含箭載的朝上朝下兩個畫面外，滑翔機的一個畫面，皆可能因為過熱而失效，所以最終只獲得在發射前一刻的畫面而已。
9. ⚠️主傘回收火箭
主傘順利被副傘及立方衛星拉出，且順利開啟讓火箭減速降落。但因為製作失誤，且因為火箭在降落時快速旋轉，最終導致傘繩上的吊環螺紋被轉開並跟火箭分離。在約距離地面 100 公尺時火箭脫離掉落。很可惜在最後一刻沒成功。
10. ❓副傘回收立方衛星
而副傘在8

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