(記者林蓮華/洛杉磯報導)「We are in space!」當這句話從充滿著雜訊的對講機內清楚傳達出來,USC南加州大學火箭推進實驗室(USC Rocket Propulsion Lab, USCRPL)學生迎來陣陣歡呼,因為自行研製的火箭「餘震二號」(Aftershock II)終於成為世界上首個由民間建造實驗火箭,突破飛抵地表上空47萬多英呎高度,超越5.5 倍音速達到5283 英呎/秒的速度,同時更創下多項工程技術突破的紀錄;其中幕後功臣有位成員來自台灣,目前就讀南加大USC主修機械與航太工程系(AME )留學生吳柏諭(Aaron Wu),以其CFD計算流體力學(Computational Fluid Dynamics)及空氣熱力學(Aerothermal)的專才,展現優異的能力,倍受關注成為該實驗室有史以來第一個台灣國際學生得以進入核心領導團隊,創下功不可沒的勳績。
Aftershock II於2024年10月24日在內華達州黑石沙漠(Black Rock Desert)順利升空。飛行數據已經在11月14日正式通過實驗室白皮書驗證,確認打破維持20年,由業餘工程師於2004年「民間太空探索團隊」(Civilian Space Exploration Team)製作「Go Fast」火箭,高度38萬英呎、高速5019英呎/秒的紀錄。
最難能可貴的是,Aftershock II火箭全部由該校學生自製,相對輕量化的火箭重量為330 磅,長度為13 英呎,直徑 8 英寸,配備全新的航空電子裝置以及改良的安全與數據整合系統,該火箭能夠在超高音速下保持耐久性,也得益於新型塗料和鈦塗層尾翼的熱防護系統。打破的高度達到470,400 英呎(143.3 公里)幾乎達到 FAA 定義對業餘火箭的極限 492,000 英呎(150.0 公里)。
USC南加大的RPL學生社團在航太界赫赫有名,是世界最強的學生自製火箭團體;18年來,最與眾不同的就是火箭全是學生手把手建造自己所有需要的工具及器材,甚至組裝、發射;之前發射過的「旅行者三號」(Traveler III )及「旅行者四號」(Traveler IV)扣關,但唯有一直等到「餘震二號」(Aftershock II)一飛衝天,才終於打破了世界紀錄。
為創紀錄挑戰極限,該團隊必需實現多項關鍵技術的突破;吳柏諭領導的頭銜是Hypersonic CFD/Aerothermal Lead,為RPL實驗室首度成功啟用CFD計算流體力學模型,就是其中之一的重要關鍵;他說自己的任務就是摸擬「流場」(Flow Field),運用流體力學的計算建立模型,達到終極目標,確保火箭發射後不會失敗、不要爆炸、最後得以大致完整返回。
他舉例,因為火箭載具要經歷的環境實在是太過惡劣,能量要求太大,所以在高達6馬赫等於相當6倍超音速飛行時,高溫超過1千多度,「熱防護」成為業界級的挑戰,這次有新研發的熱防護塗料,但發射前要如何證明它能克服極音速飛行的高溫障礙?
此時吳柏諭開發精密計算的CFD模型,進一步模擬火箭的發射流場,面臨考慮細節,像是音速飛快一馬赫產生的音爆、及塗料增加一磅就要往下掉3000英呎等問題,在他模擬不斷分析調整後,終於協助團隊研發的TPS熱防護塗料系統(Thermal Protection System),及順利將尾翼的碳纖維邊緣升級為耐磨損耐高溫的鈦合金,完美發揮作用,讓火箭成功承受極端環境考驗破紀錄。
他進一步解釋在RPL的工作內容範圍很多,性質與難度也都較為困難,包含機械加工、氣動熱力學、熱傳分析、根本原因分析(RCA)、熱燒蝕分析、極音速流體力學、計算流體力學(CFD)、非等熵流體力學(anisentropic fluid mechanics)等。
在吳柏諭加入之前,USCRPL是沒有完整的CFD技術,因為流體力學本身就很複雜,他提及昔日學長姐習慣用公式計算整個火箭的零維有效阻力係數,然後用一個更大的安全係數或誤差範圍去彌平風洞測試得出的經驗係數,雖然較為安全,但卻也限縮了發展。過去也不斷有人曾嘗試過做CFD,但因為要把CFD做到極音速收斂的知識門檻實在太高,導致沒有人知道究竟計算結果是否正確,更糟糕的是,沒有人有辦法去驗證計算的結果,所以一直沒有成功,但他的加入讓這個桎梏走入歷史。
然而成功絕不是偶然,加入團隊11個月14天,他能發表3篇論文2個研究報告,真的全是靠「千錘百煉」而來,實驗超過1千多次,輪迴地每天就是接收自己或團隊的想法,然後推翻昨天的作法,每次就是針對困難或錯誤,重新打掉重來。
CFD模型超級燒腦,他每天只能睡3-5小時,必須作個時間管理大師,除了本科上課、還得兼職擔任「實作中心」機械師、然後花費大部分精力泡在RPL實驗室,吃喝拉撒包括睡覺都在這裡完成,無怨無悔。
吳柏諭笑言,研發的新燒蝕材料,若要通過「熱測試」,假若硬要造一台Arc Jet來測試,可能整個學校都得跳電,還要以每秒數千美元的電費,燃燒掉為數不多的經費。所以,肩負著必需找出一個只能成功不能失敗的CFD模型。
吳柏諭謙虛說道,自己雖然不過是這個偉大團隊歷史長河中的一個小光點,卻也是18年來CFD技術嘗試未果的開拓者。
回想發射成功的那一天,吳柏諭說道:「當倒數開始時,我原本波瀾不驚的心,竟開始不受控的加速,在發射的那個瞬間,我的腦中閃過所有的畫面,從我下定決心將太空探索作為一生的志業開始,直到我遇到了RPL,我一生至今的所有奮鬥,彷彿都是為了這一個瞬間而努力,我等這一刻的瞬間太久了。」
吳柏諭迷上火箭的緣由,說了一個故事,在2019年時,看到一個紀錄片,是USC大學長亞當·伊圖梅茲 (Adam Aitoumeziane)在介紹該校自製「旅行者四號」(Traveler IV)火箭飛越卡門線(海拔100公里)的太空邊界,述說全球首支突破太空的學生火箭。看到片中的描述讓他悸動不已,在面對前途瓶頸之際找到人生新意義,縱使相隔半個地球,即使當時都不太會講英文。他毅然收拾行囊,不顧父母擔憂,堅持買了一張機票,從台灣飛到美國洛杉磯,先從Mt.Sac社區大學就讀,2021年再轉到南加大讀大三,只為了一圓夢想,加入RPL實驗室。
吳柏諭激動的提及此生絕對難以忘記的一段話,滿腔孤勇來美國的5年後,終於見到他的偶像,當年大學長亞當·伊圖梅茲目前已是SpaceX Merlin Engine推進工程師,看到他負責的任務相關CFD成果時激動稱讚說道:「我一直在等待未來的某一天能看到有人成功做出鼻錐氣動熱力學的CFD模型,終於等到了。」這段話,讓他熱淚盈眶,是一生都難以忘懷的榮譽。
團隊的成功登上全球媒體發佈,收到無數的恭賀,但最讓他們感動的是學長姐們發自內心的感謝,將他們心中那最後一塊空缺的拼圖給拼圓滿了。吳柏諭很開心5年後,在同一片沙漠、同樣的精神、不同的一群人,終於打破世界紀錄,又完成許多學長姐那些年未完的遺憾,自己有幸成為RPL這把火炬的接棒者之一。
吳柏諭的英文名Aaron在希伯來文中的意思是「向著高處攀爬的人」,冥冥之中命運注定著他的個性及志向。
畢業於高雄市立高雄中學音樂班,主修小號、副修鋼琴,曾得到4次小號比賽冠軍;但偏愛斜槓人生,因為熱愛航太科技,吳柏諭在高三畢業跑去拜師台灣航太推進先鋒台南成功大學趙怡欽教授,旁聽相關火箭自主研發、太空衛星推進與燃燒系統等課程、幸運地擔任衛星與推進實驗室 (SRPL) 實習生,奠定良好基礎,勇敢踏入火箭推進的領域。
目前他最欽佩的精神導師是SpaceX創始人馬斯克(Elon Musk)、成大趙怡欽教授、大學長亞當·伊圖梅茲,認為透過他們的啟發,才得以讓吳柏諭勇敢站在新世界的大門口。
他也感念父母最後的肯定及支持,還有在Mt.Sac社區大學就讀時曾受照顧來自台灣范心慧伉儷等貴人,讓異鄉遊子追逐太空夢時得到家的溫暖。
吳柏諭為了逐夢,充份發揮卓越的領導才能,曾擔任過成大太空推進研究社 (ISP) 共同創辦人、AEAS APL 混合動力火箭赫星計畫的創辦人/指導者、Mt. SAC Hybrid Rocket Team 創辦人/領導人、NCKU ISP 成功大學生固態火箭「破風計畫」指導者、奪得過FAR-51025 全美火箭工程競賽 2022冠軍及2023亞軍。還創立AEAS逆熵航太學會擔任理事長,裁培台灣後進人才。
面對未來即將畢業,從數學不太會算的高中生,一路拚到成為南加大火箭實驗室核心、火箭工程師,他認為這是人生第二篇章的完美結局。有鑑於科技一日千里,接下來他想與好友共同創業,投入推進系統研發。
他認為,不論是火箭、衛星、太空船等太空科技、或是導彈、微衛星等產業多方面,推進系統都是載具的核心組件,由於CFD流體力學與空氣動力學的運算人才十分稀有,他期望未來能在專業技術,與同伴合夥人深入廣闊的尖端知識,為航太業注入新動能,挑戰蒼穹、窺視宇宙,越飛越高。