SPACE SCHOOL

Houston Association for Space and Science Education.
HASSE x NNASA

太空新創公司裡的台灣囡仔-專訪TSC飛行科學主任工程師歐陽睿凡

美西時間2018年12月13日,維珍銀河公司完成七年來,第一個從美國出發的載人太空飛行。而這也是自2014年事故後,該公司終於證明自己有能力到達太空,朝次軌道太空旅遊的目標又邁進了一大步。

封面圖、歐陽睿凡興奮地與完成任務的飛行員Forger合影

  群眾們總為天上的成就歡呼,然而一個飛行任務要成功,並不能只靠兩位飛行員的經驗與技術。事實上,眾人所見只是整個計畫的冰山一角。

  這次,HASSE特派員Raistlin邀請到The Spaceship Company (TSC, 維珍太空船公司(註一)歐陽睿凡工程師,希望藉由此次專訪,能讓讀者對這些幕後英雄有所了解。



一圓自己最初的夢想



  出生於彰化的歐陽睿凡,就如同許多HASSE同學一般,從小就懷著飛行夢。當採訪團隊問及朝航太產業發展的原因時,每個問題都謹慎思考的他,不假思索地說:「我一直都想要念航太阿!」

「我那時候還很小很小,」歐陽睿凡自言在大概6、7歲,還要保母抱著的年紀,「我就指著天上的飛機說:『我以後要做一架飛機來載你!』這樣子。」

  學生時期的歐陽睿凡,考試成績對大部分人而言相當不理想。國中時留級過一次、高中讀了兩年就讀不下去,最後轉學到健行工專機械科,

  雖然是五專,卻唸到了第六年才畢業。「但是對我來講,健行工專那一段日子,大概是我在台灣求學過程最好的回憶啦。」歐陽睿凡說,「因為學校都不管你成績啊!」

  當年讀遍了學校圖書館僅有的五本航空相關書籍,其中有兩本在介紹航空發動機,「那兩本我看得非常非常熟,所以當我到長榮受訓時,我是全班關於引擎的第一把交椅。」他自豪地說。



圖一、搭載於白色騎士二號下的團結號太空船



與飛機的第一次接觸



  當兵的時候,正好碰上長榮在徵地勤,母親希望他先去工作存點錢,歐陽睿凡直說這是一個正確的選擇。 「我去長榮的時候,還是沒有改變我要去美國的決定,」歐陽睿凡把當時的想法先說在前頭,「但是這三年真的學到很多,而且在後來都有派上用場。」

  他解釋道,成為地勤才第一次摸到真正的飛機,「以前都只有書本上的圖片,跟自己空中畫葫蘆,實際上仍不是很清楚。」

  雖然在長榮裡學的是最基本的飛機維修、做的是最基層的工作,但之後到了美國,比起那些不曾摸過飛機的同事,「我就能從一個黑手的角度,針對要如何施工、維修,提出更實際的設計。」他說,「因為一架飛機再厲害,如果不容易維修,那還是沒有用。」

  「那時候用的是GE-CF6。」對引擎癡迷的他,連多年前的型號都記得相當清楚。從技術人員到成為工程師,「我覺得實務是助長你了解更多理論。」歐陽睿凡認為,「我覺得兩者之間並沒有衝突,反而是相輔相成。比起純做理論、學術的人,更能考量到實際層面。」

  他說決定一件事情要考量很多面向,「想得越多,到越後面只有好處不會有壞處。」



美國留學-一場高風險的賭注



「去美國是我當兵前就做好的決定。」回憶起健行工專五年級,學校為即將畢業的他們辦理多次校外參訪,同學們也都在討論未來的工作,他說那時想說做黑手月領五~八千塊也還不錯,「結果那年我一科數學被當掉,沒有畢業。」

  五專念六年的他,也為自己的未來感到焦慮,當時帶著插大的想法來到台北知名的補習街,「那時候補習班的小姐說我『運氣好、來的早,只有200個人報名』,我說這整條街至少十間插大補習班,光你這家就200人,我怎麼考得上!」碰巧大姐那年考托福準備出國,就也跑去補英文。

  歐陽睿凡坦言這風險很大,「那時候大家都叫我不要出國,『在美國讀航太畢業找不到工作!』」他說這並沒有錯,因為這是美國政府保護的產業,只有碩士學歷的履歷不會被接受、勞工部也不會批准工作簽證。「所以我第一個工作在加拿大。」他說。



圖二、態度認真的歐陽睿凡,對於採訪團隊的每個問題都認真對待



模擬是什麼,可以吃嗎?



  歐陽睿凡在模擬機製造有多年經驗,而台灣在這方面的認識可能較為不足。而曾在不同文化、環境下的航太產業任職的他,在許多方面都有獨到見解,或可為同學們、甚至是台灣的相關產業所借鏡。以下為專訪摘要:



Q:請介紹一下過去做模擬機的經歷?

A:我研究所學的是直升機,畢業後的第一份工作是在CAE(Canadian Aviation Electronic, 加拿大航空電子設備工業公司,主要業務是生產飛行模擬器),該公司的直升機模擬器又以軍用飛機的訂單最多,因此我早期主要是在做軍用飛機模擬的部分。



Q:你會怎麼描述「模擬」?

A:模擬就只是模擬,說穿了都是物理。其他工作像是寫程式,我的C++很爛,從來沒有從頭到尾寫完過一個可以編譯、運行的程式,所以我基本上都是負責一些數學計算。



Q:所以做模擬機不太需要寫程式嗎?

A:做模擬機需要很多不同東西,所以我用其他方式來彌補我程式上的不足。



Q:請介紹一下模擬機?

A:我通常會把「模擬」跟「模擬機」分開,我定義的模擬主要是指特定的數學模型,而模擬機則是指所有軟、硬體整合起來的完成品。模擬基本上通通都是物理,就是非常基礎的牛頓運動定律這麼簡單。接下來,透過電腦把數字代入數學模型裡積分,積出來的結果,你就可以用電腦把圖案一張一張畫出來,假如每秒畫60張圖,那就會變成動畫。在模擬機裡面,飛行員看著這個每秒60幅的動畫,就會感覺自己好像真的在飛。



圖三、維珍銀河的首席試飛員Dave Mackay與模擬機



Q:以桌上這支手機為例,要如何模擬它的動態?

A:我們先把問題簡化,只模擬X軸。想要知道它兩秒後的位置,就要先知道它的加速度。這時候不需要加速度感測器,因為我們是寫模擬軟體的人,就是扮演上帝,甚麼都知道。這支手機放在桌上,質量我們已知,主要的外力就是我手的推力跟桌面的摩擦力。算得的加速度對時間積分一次就是速度,積兩次就是位移,就是這樣不斷計算新的位移。

  在飛機上我們大概每秒會計算數十到100多次,這個時間間隔我們稱∆t,要小到你能視它為平衡系統。譬如說F-16 大約是每秒60~120次、直升機的動態比較複雜,每秒至少要120次、而C-130這種大飛機,則每秒30次就夠了。



Q:剛剛講的是軟體的部分,那請問硬體需要怎麼配合呢?

A:硬體我們可以分三層來看:第一層就是座艙,模擬機事實上也只有表面這一層像真的飛機,如果只要做一兩台的話也可以用真實飛機的零組件。第二層是一個人機介面,我們通常稱DAU(Data Analyzation Unit),假如飛行員輸入的訊號需要轉變成電腦可讀的資料、或者是計算後的結果需要亮什麼燈號、改變操縱桿的桿力等,都是透過這個雙向溝通的介面執行。最後一層就是電腦,現在的個人電腦一台就足夠,通常會分開放在另外一個房間。



Q:剛剛講的是軟體的部分,那請問硬體需要怎麼配合呢?

A:硬體我們可以分三層來看:第一層就是座艙,模擬機事實上也只有表面這一層像真的飛機,如果只要做一兩台的話也可以用真實飛機的零組件。第二層是一個人機介面,我們通常稱DAU(Data Analyzation Unit),假如飛行員輸入的訊號需要轉變成電腦可讀的資料、或者是計算後的結果需要亮什麼燈號、改變操縱桿的桿力等,都是透過這個雙向溝通的介面執行。最後一層就是電腦,現在的個人電腦一台就足夠,通常會分開放在另外一個房間。



Q:你們的模擬機也會有可以改變姿態的運動平台嗎?

A:沒有。通常運動平台是給速度慢的飛機使用,因為太快的飛機轉彎時的G力模擬不出來,用了反而誤導飛行員,不如不要用。



圖四、歐陽睿凡親自當比例尺,讓大家了解團結號真的很大



從無到有:今天,我們創造歷史



Q:飛機要載客需要有FAA的適航認證,那載人太空船也有類似的認證嗎?

A:當年Tier One(註二)贏得Xprize之後,美國政府才意識到現在民間也有能力進入太空,才弄了一個叫AST的規定。現在這個階段有點類似當年林白飛越大西洋到巴黎,技術才剛起步,還不成熟,規範不可能像14 CFR那麼嚴格,不然沒人有辦法商業化。目前有些彈性空間,最基本的約束是出事不要砸到人,但整個法規也慢慢在完善。美國政府會找產業界一起來研究、討論,我覺得這方式很不錯。



Q:之前Richard Branson曾說要親自上去,現在團結號突破卡門線,下一位乘客會是老闆嗎?

A:這我不能告訴你呵呵。不過我們確實有這樣的計畫。



Q:現在載客的收費是多少?乘客都是哪些人呢?

A:25萬美金。台灣有三位,一位是某連鎖餐飲業的老闆,另兩位是醫生夫婦的樣子。不過,我們這些客戶也不是每個都很有錢喔!有的人可能身家只有30萬,但他願意花25萬上一次太空,每個人對錢的想法不太一樣。



Q:團結號有飛行控制電腦嗎?

A:沒有,甚至連油壓系統都沒有,全部都是鋼絲跟連桿。



Q:哇!這樣飛行員不就要很大力才能操控它?

A:當然阿,那麼大的飛機!但是我們都有參照USAF跟NASA的手冊,你講的這個部分,我們叫Handling quality (操作品質),簡單來說就是好不好飛啦。美國這方面的規範非常非常多且專業,根據不同的飛機大小及任務,諸如操控桿桿力、大小、形狀、飛機滾轉的角速率、自然頻率、阻尼比……等等。告訴你大概要怎麼樣搭配,才能達到最好效果,都有非常清楚的規範,還附有詳盡的科學解釋及數學公式。



Q:要怎麼訓練飛行員飛這樣特別、沒有操作手冊、從來沒有人飛過的飛機呢?

A:我們的飛行員都非常有經驗,飛行時數都8000小時、10000小時的,飛過的飛機有上百種。那天飛上去那位Forger,以前飛過SR-71,還曾擔任NASA ASC的試飛員,飛過130種飛機;另一位更不用講,太空梭飛過四次,兩位都是海軍陸戰隊出身。甚至還有一位以前是U2聯隊的指揮官!



圖五、2017年6月團結號第五次滑翔測試



模擬機沒有完美,重點在於好壞並陳



Q:在CAE公司,模擬機部門大概怎麼分工呢?

A:我覺得大概分三個部分,分別是空氣動力模型、儀電還有視覺系統。第一個我們通常叫Flight,就是數學模擬、第二個Avionics也相當重要、第三個是Visual System,包含很多光學投影,以及電腦動畫的部分。



Q:我以前有看過一種設計是將畫面投影機架設在飛行員後方的天花板上,這樣有甚麼特別之處嗎?

A:你說的那種方式稱作Collimation (視準法),投影機放在上面稱作Dog house的全黑盒子裡,螢幕放的是一個半透屏,再前面放的是一面焦點在投影機的弧型鏡,稱為Collimating mirror。投影機的光線會穿過半透屏,再被鏡面反射投影在半透屏上產生虛像。因為焦點在投影機的位置,反射回來的光線幾乎完全平行,成像在視點(View Point)前方約100公尺的位置,這樣的好處是兩個飛行員看到遠方跑道中心的位置會一樣。

  另一種產生實像的設計,就是像一般常見的用法,將投影機裝在螢幕前方,直接投影在白色螢幕上。缺點是兩個人看到的跑道位置不一樣 (特派員解釋:可以試著把手指放在臉前方,把兩顆眼睛當兩個飛行員,不同眼睛看到的手指位置會不一樣),但好處是像直升機這類垂直起降的飛機,飛行員看的是正下方的地面,如果是上面那種設計,在成像太遠的情況下,起落架就感覺碰不到地。所以模擬機沒有完美,都是有缺點的,就看你的任務需求去取捨。



Q:直升機的模擬與定翼機有甚麼不同之處嗎?

A:直升機本身在空氣動力學上穩定性非常差,都是靠飛控電腦在穩定。我模擬過OH-58D直升機,還有澳洲空軍的黑鷹直升機。前者性能很好但是穩定器不是很好;後者雖然非常穩定,但在達到某段速度區間時,空速的讀數會有雜訊。我覺得做模擬機還有一個很重要的理念就是:「好的也要模擬、壞的也要模擬。」每架飛機都有它的長處與缺點,把所有的好壞用數學去模擬出來,讓飛行員知道狀況要如何處理跟避免,這樣訓練才有意義。



圖六、滑翔中的團結號太空船



程序嚴謹並反覆驗證



Q:許多人的觀念是先有飛機才有模擬器,你也這麼認為嗎?

A:事實上我之前跟一位機師辯論過這個問題,我認為在設計飛機的時候,就要有一個模擬器。因為剛開始在紙上設計完飛機,數學模型就能先計算,看這樣設計是不是能達到任務要求。再來,在試飛之前,你的模擬軟體要跟著出來,告訴你潛在的問題,再透過試飛去驗證你的性能跟數學軟體是否相符。如果試飛沒有問題,或是出現沒有模擬到的問題,那就是程式有誤。所以兩者的關係是先模擬,再用試飛數據去修正問題,這樣模擬走一步、飛機設計走一步,反覆互相驗證直到通過所有測試。



Q:那最後,你對於航太相關科系的學生們,會想給予甚麼建議呢?

A:我覺得這個世界上,數學跟物理是唯一的真理啦。大一的普通物理就很重要,很多現象都可以用物理解釋,但是台灣好像不是很注重基礎物理的培養。我要說的是,物理很重要很重要很重要,因為真的很重要所以要講三遍!還有單位也很重要,你計算的時候每個單位都要寫清楚,可能甚至驗算單位就知道寫錯了。像我的師父是寫X-35B(註三)的飛控軟體,那個計算非常複雜、單位很有可能弄錯,他的計算程序非常嚴謹、每個單位都寫得清清楚楚。這是一個非常好的習慣,再簡單的計算最好都把單位寫出來。而且也唯有單位,能賦予一個數學式子有它的物理意義。



圖七、歐陽睿凡與採訪團隊合影



Credits:



圖三:Washington Post photo by Jonathan Newton

其餘圖片均來自歐陽睿凡或採訪團隊



註一:The Spaceship Company譯名為歐陽睿凡工程師建議,如與官方有出入應以官方版本為主

註二:Tier One為Scaled Composite公司參加Xprize的團隊名稱

註三:X-35為F-35的試驗機型號



本文學術名詞之翻譯皆來自:國家教育研究院雙語詞彙、學術名詞暨辭書資訊網



 



 



 



 



 



 



 



 



 



 



 



 



 



 



 



 



 



 



 

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