【航空航太】高速攝影機如何如何協助 EPFL 學生打造可重複使用火箭 發佈日期 2025-12-25
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在火箭推進與自主飛行控制的工程實務中，真正決定系統成敗的，往往不是宏觀設計，而是發生於毫秒尺度內的瞬態物理現象。從火箭點火時推進劑首次噴出的一瞬間、火焰是否穩定附著於燃燒室內，到垂直起降（VTVL）著陸時結構與地面接觸的第一幀畫面，這些關鍵行為若無法被精準觀測，就無法被工程化地理解，更無從談起可重複使用火箭的可靠性。 來自瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的學生團隊 Gruyère Space Program（GSP），正是在這樣的工程背景下，成功打造出液體燃料、垂直起降、可重複使用的火箭 Colibri。對於一個學生團隊而言，這不只是學術專題，而是一項接近新創航太公司等級的完整系統工程挑戰。
在有限資源與高度技術門檻並存的條件下，Chronos 2.1-HD 高速攝影機 成為 GSP 團隊理解火箭推進物理、驗證設計假設、並持續優化系統的關鍵工具。
｜看不見，就無法設計：高速攝影機揭開火箭推進的瞬態真相
Colibri 火箭採用 N₂O / IPA（氧化亞氮／異丙醇） 液態推進劑，配置約 1.25 kN 推力的火箭引擎。推進系統的特性高度瞬態且高度敏感，任何微小的時間誤差或流場變化，都可能放大成燃燒不穩定、結構熱負載過高，甚至影響可重複使用能力。
在早期測試中，GSP 很快發現傳統攝影與感測手段存在明顯限制。許多影響引擎可靠性的現象發生得過快，既無法被肉眼辨識，也難以透過一般影像設備準確捕捉。 GSP 共同創辦人 Jérémy Marciacq 指出： “The need for a high-speed camera became evident during early hot-fire tests, when conventional recording equipment failed to capture the fast transient phenomena that directly impacted engine reliability and performance.” 「在早期熱火測試中，我們清楚意識到高速攝影機的必要性，因為傳統記錄設備無法捕捉那些直接影響引擎可靠性與性能的高速瞬態現象。」 對推進系統工程而言，這是一個再熟悉不過的事實：沒有被觀測到的物理現象，就無法被設計或修正。
｜熱火測試（Hot-fire Test）：毫秒級點火差異如何影響燃燒穩定性 在火箭熱火測試中，Chronos 2.1-HD 被用於觀察點火初期的完整事件序列。透過高速攝影機的逐幀影像，團隊得以清楚分辨：
影像顯示，系統中存在數毫秒等級的非預期延遲。雖然在低速觀察下看似成功點火，但這些延遲可能導致燃燒初期壓力波動、火焰尚未穩定即對燃燒室造成局部熱負載，進而影響引擎壽命與可重複啟動能力。 藉由 Chronos 2.1-HD 提供的高解析、高幀率影像，GSP 能夠量化點火序列中每一個關鍵時間節點，並據此重新校準點火邏輯，使系統穩定度提升至毫秒等級的可控範圍。這項修正，對於後續反覆測試與飛行任務至關重要。
｜冷流測試（Cold Flow Test）：噴射器分析與推進劑相態行為的關鍵依據 在不進行燃燒的冷流測試中，Chronos 2.1-HD 被用於分析推進劑噴射行為，特別是氧化亞氮在噴射過程中的相態變化。由於 N₂O 在壓力變化下容易發生相變，其噴霧行為對噴射器設計與燃燒效率具有高度影響。 高速影像使團隊得以觀察：
這些資訊讓噴射器分析不再停留於理論假設，而能以影像證據支撐設計修正。透過調整噴射器幾何與流道設計，GSP 改善了推進劑混合一致性，為後續穩定燃燒奠定基礎。
｜火焰結構與冷卻膜行為：可重複使用火箭的關鍵驗證
在燃燒室設計中，冷卻膜是否能穩定保護壁面，是引擎能否反覆使用的重要指標。於熱火測試期間，Chronos 2.1-HD 捕捉火焰與壁面交互作用的高速影像，使團隊能分析：
這些影像資料成為評估熱負載分布與調整冷卻設計的重要依據，協助團隊在多次測試中維持燃燒室結構的完整性。
｜垂直起降（VTVL）：高速影像補足飛行數據的盲區
在 Colibri 的起飛與著陸測試中，高速攝影機同樣發揮關鍵作用。Chronos 2.1-HD 捕捉了：
這些影像補足了感測器與飛行紀錄無法完全呈現的瞬態行為，使團隊能更精確地調整控制參數，提升垂直著陸的穩定性與重現性。
｜從學生團隊到航太新創：高速影像成為核心工程能力 透過 Chronos 2.1-HD 的逐幀分析，GSP 成功完成多次自由飛行與精準著陸，驗證了可重複使用火箭的設計可靠性。正如 Jérémy Marciacq 所言： “The detailed frame-by-frame analysis provided by the high-speed footage proved critical in fine-tuning the propulsion system, solving ignition issues, and validating the design for repeated rocket reuse.” 「高速影像所提供的逐幀分析，對微調推進系統、解決點火問題，以及驗證可重複使用設計至關重要。」 這樣的工程能力，也成為 GSP 後續轉型為瑞士航太公司 PAVE Space SA 的重要技術基礎。
｜高速攝影機正成為推進系統研發的標準工具 GSP 的案例清楚顯示，高速攝影機已不再只是大型研究機構的專屬設備，而是火箭點火分析、噴射器分析、熱火測試、冷流測試與 VTVL 驗證中不可或缺的工程工具。 Chronos 2.1-HD 讓工程師得以在毫秒尺度中看清物理真相，將不可見的瞬態現象轉化為可量化、可設計的工程依據。對於致力於推進系統與可重複使用火箭研發的團隊而言，這正是邁向可靠與成熟設計的重要一步。
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