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與福衛七號共乘火箭的衛星同伴們

在新竹科學園區,國家太空中心的衛星整測廠房,現在有六顆氣象衛星正如火如荼的進行各項功能以及環境測試,準備在明(2017)年第一季發射。而這些就是我們即將要接替福衛三號任務,繼續為我們觀測全球氣象的福衛七號衛星,這六顆僅僅是第一批要升空的衛星們,總共將有 13 顆衛星分成兩批升空。由於福衛七號文章散見各報導文章,本文針對與福衛七號搭乘同一班火箭升空的衛星計畫作介紹。

太空巴士和它的乘客們

福衛七號衛星每顆重約 277.8 公斤(含燃料),伴隨福衛七號第一批升空的衛星,還有其他大大小小的奈米衛星將搭乘同一班火箭 Space X 公司所製造的獵鷹重型 (Falcon Heavy) 火箭到太空。

  • 獵鷹重型 ( Falcon Heavy ) 火箭發射模擬動畫

獵鷹重型火箭將會從美國東岸,佛羅里達甘迺迪太空中心發射場發射;大約 48 分鐘以後,火箭會抵達 520~550 公里高,開始以每 60 秒的時間間格,分別釋放福衛七號六顆衛星。未來當福衛七號衛星布軌完成以後,將以 24 度低傾角圍繞著赤道飛行,執行地球大氣壓力、溫度、和濕度等氣象數據的偵測任務。

由於環保意識抬頭,為了解決日益增多的「太空垃圾」問題,大部分的國家包含美國、日本與歐盟已有共識,嚴格規定衛星與火箭製造者,在設計階段都必須提出「任務結束」的計畫。Space X 的獵鷹重型火箭第一節具備有三個芯(core),每一個芯有 具引擎,總計是 27 個引擎。每一隻芯的底部外觀,都有四個黑色蓋子,每一個蓋子裡面都有降落支架,在回收過程將會打開蓋子釋出降落支架,執行回收任務。在火箭發射約 3 分鐘以後,將分別降落在佛羅里達火箭發射場。

現在 Space X 的策略是希望盡可能回收火箭,以削減製造成本。之前已經成功回收的「獵鷹 9 號」(Falcon 9),製造成本為 6000 萬美元,但燃料成本只有 20 萬美元。如果回收的火箭不需要太大翻修,重複使用可能將大幅削減製造成本。然而獵鷹重型火箭第一節的三個芯,實際上尚未實際測試,也還沒有成功回收的紀錄。因此福衛七號的發射很有可能是 Space X 第一次的重型火箭回收任務。

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第二節火箭將持續載著衛星飛行,在彈射完所有的衛星之後,距離發射時間大約 3 小時,剩下第二節火箭,還會重新啟動返回大氣層,執行燒毀機制。當然,福衛七號衛星設計時,也有考慮「返回機制」,未來福衛七號任何一顆衛星到達壽命使用年限時,都會啟動返回機制在大氣層燒毀,以避免人造衛星退休後,留滯在太空成為太空垃圾造成問題。

在獵鷹重型火箭整流罩內,總計有四層衛星的彈射機構,最上層的銜接環安裝有「示範和科學實驗衛星」(Demonstration and Science Experiments, DSX),第二層銜接環安裝兩顆福衛七號衛星,第三層有四顆福衛七號衛星,最下面的銜接環安裝有六顆小衛星。

火箭整流罩衛星配置圖

火箭整流罩衛星配置圖。圖/國研院太空中心介紹pdf

接下來就讓我們來看看到底有誰共乘了這班火箭巴士吧!

變形金剛—Oculus-ASR衛星

火箭發射以後,第一顆離開火箭的衛星稱為 Oculus-ASR 衛星,這是由美國密西根理工大學學生的衛星計畫,這顆衛星是由兩組不同外形,包含八角型以及四方型兩種模組所組成。

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Oculus-ASR 衛星。圖/MTU Aerospace Enterprise

任務執行期間,方形衛星模組將變換外型,外殼鍍上紅色、藍色、黃色和透明的陽極氧化鋁四種高反射率顏色,太陽能電池板將分別依照指令展開。當高倍率望遠鏡由地面觀察太空衛星時,藉由衛星外型與顏色變換,即可進行衛星尋找與偵測實驗。

另一方面,八角形的模組載有兩具高倍率的望遠鏡酬載,將執行從太空觀察太空的影像,可以用來比較從地面觀察同一太空目標的影像。

太空也有帆船出航—Prox 1 雙星計畫

火箭發射 40 分鐘後,第二個離開火箭的是 Prox 1 雙星計畫,從 Prox 1 母衛星內部,會彈出長方形立體的「子衛星」,稱為光帆 B(LightSail B)衛星。光帆「子衛星」從「母衛星」分離後,會展開四片太陽能電池板,然後再張開一張 32 平方公尺的太陽帆。

  • Prox 1 雙星計畫概念動畫

母船裡有相機以及偵測器,會密切的觀察 LightSail B 展開太陽帆的過程,以及衛星展開太陽帆以後,經由控制太陽帆角度,衛星的實際飛行狀態。

這是人類第一次在太空近距離即時(real time)觀察利用太陽風與太陽帆改變夾角控制衛星的實驗,相當具有意義。

另外,Prox 1 雙星實驗地點距離地球表面 800 公里遠,這是地球大氣層最上層的高度,已經是非常稀薄的真空狀態,進行太陽帆活動實驗不會受到大氣層阻力的影響。在這一高度,衛星受的重力與衛星飛行離心力產生平衡的狀態,因此太陽輻射成為對太陽帆實驗成為唯一的外力,代表著只要操控衛星上面的太陽帆與太陽風的夾角,就能利用「太陽風」使衛星在太空自由活動。

實驗性質的海軍衛星—NPSAT-1

Prox 1 雙星離開火箭以後,每過一分鐘就有一顆衛星離開火箭。第三顆離開火箭的是「美國海軍研究院衛星(NPSAT-1) 」,本計畫美國海軍研究院有超過四十位研究生參加。

這是教育訓練用低成本衛星實驗衛星,主要的元件使用「現貨商用零件(COTS)」組裝衛星,包括指令與資料處理器(C&DH)、相機、耐輻射和鋰離子電池以及微機電系統等等;衛星酬載是用來探測太空電子的溫度,密度和能量的裝置。

比較特別的是,NPSAT1 將在任務結束時,衛星將自動降低軌道,重新進入大氣層,經過模擬分析 NPSAT1 在大氣層解體燃燒後,所剩下的碎屑與地面上物體碰撞風險是可忽略的。

時光怪客 — 軌道試驗床(OTB)衛星計畫

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軌道試驗床(OTB)衛星。圖/Surrey Satellite Technology

軌道試驗床( Orbital Test Bed)衛星」是由美國太空總署與推進實驗室推動的深太空(Deep Space)計畫。由於執行自動導航、軌道變換或探測星球執行登陸任務時,需要更高精度的時間數來操作衛星或太空船,於是就發展了 Deep Space Atomic Clock(DSAC)計畫。其所使用的「超精準汞離子的原子鐘」比目前在 GPS 導航衛星所使用的微波銫原子鐘精確 100 到 1000 倍。

除了 DSAC 酬載之外,OTB 衛星還搭載有其他四個包括輻射效應偵測器、太空離子偵測器、通訊用接收機,以及模組化太陽能電池板等先進實驗酬載。用來觀察太空低軌道的輻射量,太空天氣變化的任務,以及測試新設計的通訊以及電力次系統功能。

OTB 衛星本體,是由美國 Surrey 太空公司所提供;另外,計畫任務結束時,衛星上的「終結者衛星脫離軌道系統」將啟動,這是美國民間開發低成本、提供衛星結束任務時返回地球的裝置。

太空垃圾回收—用繫繩釣垃圾

前述「終結者衛星脫離軌道系統」是由一間位於美國西雅圖的 Tethers Unlimited 公司所研製的設備。自從 2011 年 7 月美國亞特蘭提斯號太空梭最後任務結束以後,美國太空總署將大部分的經費轉由民間執行,短短的 5 年之間,培植出強大的美國太空產業,包括商用運載火箭、衛星研製,專門的衛星元件廠商,以及各項太空後勤支援,如雨後春筍遍布美國各州。

「終結者衛星脫離軌道系統」是為了減少太空垃圾所發展的新技術,在發射之前安裝在衛星上面,當接收命令以後,「脫離軌道裝置」將脫離衛星,部署在衛星下方約 5 公里長,連接著一條「繫繩」。

此「繫繩」會與電離層離子體和地磁場產生感應,並沿著繫繩產生電流,電流會產生拉力,使衛星軌道逐漸降低。「終結者衛星脫離軌道系統」經過幾週或幾個月的時間,會逐漸降低衛星軌道高度,最後衛星將脫離太空返回大氣層燒毀。

史上第一「片」輕薄短小的廉價太空望遠鏡 — 獵鷹 7 號

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美國空軍實驗研究院在零重力空間測試 FalconSAT-7 。圖/USAFA

在這次發射火箭裡,搭載有獵鷹 6 號(FalconSat 6)以及獵鷹 7 號的(FalconSat 7)奈米衛星,他們都是美國太空總署(NASA),空軍技術研究所(AFIT)和美國空軍實驗研究院(AFRL)共同研製。

比較特別的是獵鷹 7 號(FalconSat 7),這是一顆「廉價太空望遠鏡衛星」,衛星所搭載的酬載是使用鍍鋁的聚醯亞胺膜(polyimide membranes)所做的光子篩,該材料上可以折疊的柔性膜特性,打造世界上第一台星載薄膜的望遠鏡。

一般傳統望遠鏡都是使用透鏡或鏡子,通過折射或者反射聚集光線,而光子篩利用的是衍射現象。光子篩(世界上最薄的透鏡)是一種超薄的塑膠盤,上面有數百萬個細微的小孔,每個小孔都可以使光從不同角度聚集於一個焦點。

光子篩是光學系統的心臟,與傳統的透鏡或者鏡子相比,光子篩聚集於焦點的光量少,比較難於給模糊的物體成像,而且只能拍攝黑白照片。但是,光子篩造價低廉、重量輕,而且容易生產較大尺寸的「聚光」面積。另外光子篩還可以折疊和展開不受損壞,鏡子和透鏡就不能做到這一點。

光子篩薄膜材料的熱膨脹係數(CTE)接近零,這是非常重要的特性,可以在太空軌道經歷陽光照射、冷熱交替的環境,也不會使聚焦成像的圖案變形失真。另外一個顯著的優點是,使用光子篩薄膜元件在衛星發射前折疊起來以減少體積,但是在太空展開光子篩以後,不需要將光子篩繃緊至非常平坦,任一個光學折射或反射都能發揮聚光效果。

另外,傳統的透鏡影像成相時,不僅有來自聚焦面的光,非聚焦面的光也影響了影像的解析度;光子篩的共軛焦顯技術可去除傳統螢光顯微鏡影像中的迷光。所獲得的數據,未來成像處理時可將影像一層一層觀察,增加了影像的對比和解析度。

獵鷹 7 號奈米衛星任務將觀察太陽表面的黑子活動。計畫成功以後,未來更可以利用這一技術,研製一個 20 米大的光子篩遙測微衛星,照相解析度甚至可以達到 1 公尺以內的超高解析度,為地球表面的物體成像。

綠色燃料衛星計畫 — GPIM

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GPIM。圖/NASA

美國太空總署推出下一代太空用綠色推進燃料的 GPIM(Green Propellant Infusion Mission) 任務,希望能以這款新型化學反應燃料取代傳統使用、具有劇毒的聯氨(hydrazine)。

Ball Aerospace & Technologies Corp. 公司和 JPL 實驗室共同開發的新配方燃料,是由羥基硝酸銨(CTE Hydroxyl Ammonium Nitrate)和氧化劑(oxidizer)混合稱的低毒性推進劑,稱為「AF-M315E」。

不論是聯氨或 AF-M315E 都是經由化學反應產生推力,筆者記得福爾摩沙一號、二號以及三號衛星在發射場灌注衛星燃料時,場訪作業現場必須完全淨空,灌注人員身穿密封的保護裝,小心的作業,印象相當深刻。

計畫成功以後,綠色燃料新技術將使用在未來的火箭和太空計畫中,不僅使用更安全的燃料,充填的時間更快,並且更便宜,對於各種太空計畫來說都是一大福音。

最後一位乘客 — DSX

距離火箭發射後,時間大約 48 分鐘,輪到福衛七號六顆衛星離開火箭的時間到了,福衛七號將以 60 秒的間隔,逐一彈射進入太空軌道。

最後離開火箭的是位於火箭頂端的「示範和科學實驗衛星」(Demonstration and Science Experiments, DSX),分成兩個機構:一邊是衛星飛行與控制機構,另外一邊是三個實驗酬載機構,兩機構中間是一個火箭銜接環。DSX 任務,是由美國空軍實驗研究院研製。

人造衛星運行軌道介於低地球軌道(2,000公里)和地球靜止軌道(35,786公里)之間,這軌道被稱為中地球軌道(MEO)。在 MEO 軌道上,人造衛星會遭遇到比在低軌道,惡劣的輻射環境,為了確認衛星系統能使用成本較低的 GPS 導航功能,DSX 衛星計畫提供高速衛星通信功能,並示範在中軌道高輻射的太空環境下,人造衛星能長時間執行任務。

星際環保大戰

由於環保意識抬頭,各國相繼定訂減少太空碎片的規範。包括獵鷹重型火箭、福爾摩沙七號衛星,以及火箭上的其他衛星「乘客們」都必須遵守規範。因此猶在設計階段時,美國甘迺迪發射場(Kennedy Space Center)的安全官員,便要求審查各衛星計畫所提出的「任務結束時減少太空垃圾計畫書」。而未來的太空計畫均會被要求遵守「環保規範」,這也是搭乘這班火箭最大的特色。

另外,值此世界各國奈米衛星研發已經蔚為趨勢,國內也有許多奈米衛星的研發卻苦無發射經費之憾。看到世界各國創新研發,我國亦可利用現有衛星計畫發射的時機,將奈米衛星安置在「奈米衛星彈射機構」上,搭便車的將國內的研發奈米衛星送上外太空。

資料來源:

  1. 方振洲,〈福衛七號:進一步探索福衛七號衛星〉,《科學發展》2016年5月,521期,26 ~ 33頁
  2. Falcon Heavy, Space X website.
  3. Nick L. Yen, FORMOSAT-7/COSMIC-2 Progress Update and its Launch Plan, NARLabs
  4. Oculus-ASRMichigan Tech Aerospace Enterprise
  5. Prox-1 University Nanosat Mission, Center for Spaceflight Projects, Georgia Tech
  6. LightSail A, B, Gunter’s Space Page
  7. NPSAT-1 Small Satellite, Space System Academy Group, Naval Postgraduate School.
  8. NPSat1, Space System Academy Group, Naval Postgraduate School.
  9. Orbital Test Bed (OTB), Surrey Satellite Technology Ltd.
  10. The Terminator Tape and Terminator Tether Satellite Deorbit Systems, Tethers Unlimited.
  11. FalconSat-7, eoPortal Directory.
  12. 方程毅,〈世界上最薄的透鏡!〉,CASE讀報,2016 年 04 月 19 日。
  13. Ball Aerospace
  14. DSX (Demonstration and Science Experiments) in MEO, eoPortal Directory.

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關於作者

黃 正中

正中

國家實驗研究院國家太空中心研究員。勿忘對科學研究的熱情,勇敢築夢,實現夢想…...