火箭整流罩鎖固方式之間隙分析與最佳化

背  景

       隨著太空探索的商業化，火箭結構的輕量化（Lightweight）和成本控制成為設計的關鍵挑戰。而整流罩（Payload Fairing，如圖一）作為火箭重要的保護結構，其設計直接影響 Payload 的安全性和發射成本。
       此專案是臺灣自主研發的入軌火箭，目標是設計一個具高效能、輕量化的整流罩系統，並通過最佳化技術降低整流罩間隙（Gap），確保結構穩定性與分離的可靠性。

 

圖一、火箭整流罩（來源：國家太空中心）

成  果

       經由 HyperStudy 的設計參數最佳化，太空中心成功地將整流罩的重量減輕4 kg，並將間隙 Gap 控制在0.21 mm 內。該成果不僅提升了火箭的有效載荷能力，間接節省高達15萬美元的發射成本，為臺灣火箭自主研發建立了重要里程碑。

 

技術特點

完整的分析流程

• 氣動壓力分析（Aerodynamic Pressure Analysis）：使用 CFD（計算流體力學，Computational Fluid Dynamics）模擬整流罩在發射過程中的氣動壓力，特別是 Max Q（最大動壓點，Maximum Dynamic Pressure）時的負載情況。
   
• 內外壓差分析（Internal and External Pressure Analysis）：進行排氣設計模擬，確保內外壓差（如設計壓差0.4 kPa）處於安全範圍內。
   
• 熱防護分析（Thermal Protection Analysis）：分析高溫環境下的熱傳導，並設計有效的熱防護材料與結構。
   
• 剛體運動分析（Rigid Body Motion Analysis）：模擬整流罩分離過程中的剛體運動，確保分離過程平穩無干涉。（如圖二）

​​​​​圖二、整流罩位移雲圖（來源：國家太空中心）

設計變數定義

• 設定7個設計變數（DV1-DV7，Design Variables），涵蓋鎖固點位置、結構厚度與材料性質等。

• 運用數學函數處理對稱相依變數，確保模型參數的合理性與準確性。

最佳化方法

• 採用 HyperStudy 進行 DOE（設計實驗，Design of Experiments）與 GRSM（全域響應曲面法，Global Response Surface Method）演算法的多目標最佳化。

• 使用 PB（Plackett-Burman法）與田口法（Taguchi）進行敏感度分析，確認外罩補強件（DV7）為重量敏感度最高的參數。（如圖三）

​​​​​圖三、DOE結果比較（來源：國家太空中心）

 

• 與 ARSM（自適應響應曲面法，Adaptive Response Surface Method）與 GA（基因演算法，Genetic Algorithm）方法比較， GRSM 在重量與間隙目標的平衡表現最佳。

結  論

       結合 Altair 的 Inspire 分析工具與 HyperStudy 最佳化功能，能顯著提升整流罩設計效率與效能，並透過輕量化設計為火箭帶來顯著的成本效益。完整的設計流程整合了氣動、結構與熱防護分析，為 Payload 的安全性提供了全面保障。
       在高強度的國際競爭中，臺灣自主火箭研發團隊展示了卓越的技術能力與創新精神，為未來更複雜的航太任務奠定了堅實基礎。

 

資料來源: 2024 RTC技術亮點