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福衛七號在美國的實況報導(上):升空前人造衛星要經過哪些測試?

  • 文/國家實驗研究院國家太空中心
    整合測試組組長陳維鈞博士
    2019.06.13 下午 11:00 於美國佛羅里達州

怎樣將人造衛星放上任務軌道呢?

人造衛星通常是指在地球大氣層以外的太空環境,繞行地球運行,具有任務目標的人造飛行器。運行方法是讓人造飛行器具有在運行軌道切線方向的高速度,以其所造成的慣性來抵抗地心引力。因為幾乎沒有空氣阻力,所以根據牛頓運動定律,人造飛行器幾乎不需要推進動力,就可以持續在繞行地球的軌道上運行。

接下來的問題是,怎麼把人造衛星放到預定的軌道上運行呢?

答案是火箭。

火箭具有在太空環境,可以不須空氣助燃產生推力、將人造衛星推至抵抗地心引力的高速慣性。同時也是人類繼熱氣球與飛機之後,另一個可以脫離地球表面的重大發明。

一開始是第二次世界大戰在歐洲的德軍為了要精確打擊遠在英國的本土目標所發明的。在 1942 年德國成功研發 V-2 火箭,是世界上第一個可以飛行到太空高度的人造物體。

二戰後,德國的 V-2 火箭科技可說是當時兩大強國,美國與蘇聯發展火箭與太空科技的基石。火箭當時不僅可以作為軍事用途的飛彈之外,1946 年美國發射了一枚 V-2 火箭到數百公里的高空,用來觀測大氣層以外太陽所產生的紫外線,是 V-2 火箭第一次應用於太空研究,從此開啟了太空科學的新頁。

適逢人類登入月球的50周年,我們不妨來探討執行太空任務的載運火箭。source:wikimedia

今年適逢人類第一次登陸月球後的五十周年,現代發展可攜載任務酬載執行太空任務的載運火箭亦稱之為發射載具,具有更龐大的推力、更高的攜載能力,除了可以精準地將不同高低軌道的人造衛星放在不同型態的任務軌道之外,還能載人登陸月球、攜載探測器到火星執行科學任務等。例如:地球同步軌道衛星,其重量約 5000 公斤,運行於圓形軌道,軌道距離地面高度 35,786 km;以及哈伯望遠鏡衛星,重量 11,000 公斤,運行於橢圓形軌道,軌道高度 559 公里。

歷史上最大的運載「火箭農神五號」就是美國運送阿波羅系列太空船到月球的發射載具,直徑達 10 公尺,加滿燃料以後,總重量達到 3000 噸,可以將近 140 噸重的酬載送到高度小於 2000 公里的近地軌道,也可以將41噸的酬載送上月球,是目前使用過的最高、最重、推力最強的運載火箭。現在仍在發射運轉、載重最大的火箭為美國太空探索科技公司(SpaceX)將要在今年六月進行第三次發射的獵鷹重型火箭,也只有農神五號火箭二分之一的運載能力。

火箭一點也不「舒適」!升空會給人造衛星哪些考驗?

載運火箭具有高推力,在升空過程中噴射推進燃燒會產生強力振動與巨大噪音。以獵鷹重型火箭為例,升空過程可產生 6 倍以上重力加速度與振動,還有總音壓強度高達 140 分貝左右的噪音。

所以將人造衛星放到火箭之前,可得經過一系列的測試與驗證,證明衛星本身與火箭相容,而且可以耐受火箭升空的惡劣環境。衛星對火箭的相容驗證包括有:機械容積驗證、衛星質量特性量測與電磁相容測試。衛星耐受火箭環境的驗證測試有:振動測試、音震測試與分離爆震測試。

太空中心工作人員在整合測試廠房內進行福衛七號振動測試準備。振動測試是以火箭實際發射過程產生的振動值加上測試裕度,驗證衛星結構強度與組裝品質,例如:組裝的固鎖螺絲與電路板上的焊接點。圖/國家太空中心提供

台灣的六枚福爾摩沙衛星七號星系,簡稱福衛七號,即將在今年 6 月底由美國太空探索科技公司(SpaceX)的獵鷹重型火箭搭載升空,到達 550 公里高的圓形軌道執行任務,福衛七號在台灣太空中心整合測試廠房完成組裝與功能測試後,隨即進行相容驗證環境測試

相容驗證包括以下項目:

  1. 機械容積驗證:是使用電腦軟體組合圖進行比對,確認衛星實際的外型尺寸小於裝載衛星的火箭酬載艙內容積。
  2. 衛星質量特性量測:包括量測衛星重量、質心位置與三軸的轉動慣量,提供給火箭升空與入軌的姿態控制以及衛星在軌道上運作的姿態控制與軌道轉換。
  3. 電磁相容測試:主要驗證火箭與衛星之間各自無線電通訊是否會互相干擾,不過福衛七號在整個火箭發射升空到與火箭分離的過程均未開機,所以不會有干擾的可能性。

在太空中心整合測試廠房具備的衛星耐受火箭環境的驗證測試設備,包括有:大型高推力振動機、音震測試艙與高速數據擷取設備,可以分別模擬火箭發射產生的振動與噪音以及與火箭分離的環境,測試衛星承受這些環境考驗後,仍可以正常運轉。

福衛七號在太空中心整合測試廠房音震艙內的測試型態,音震測試艙可以模擬火箭產生的巨大噪音,藉以測試衛星中大面積的脆性材料,例如太陽能板上的太陽能晶片與遙測酬載上的鏡片,還有高頻的振動對衛星產生的影響。圖/國家太空中心提供

另外,比較特殊測試的是執行衛星分離爆震測試驗證對衛星的影響。分離爆震來自於衛星與火箭分離時,分離裝置引發火藥,將固定火箭與衛星的固鎖環鬆開,使得衛星可以順利脫離火箭分配轉接環。

脫離前引發的火藥侷限爆炸所產生的爆震波,將以高頻率傳遞到衛星各處。所以衛星分離爆震測試是驗證高頻率震波傳遞,不會損害衛星元件內的電子零件,例如對爆震波敏感的陶瓷電容等。

衛星與火箭分離裝置固鎖環引發火藥後分開的照片,衛星端的上環脫離固鎖環與連接在火箭分配轉接環的下環。圖/國家太空中心提供

福衛七號如何抵達卡納維爾角的發射場?

福衛七號在運送前審查會議結束,確認衛星功能測試與環境測試的結果,符合任務需求的系統與測試規格之後,在今年 4 月 15 日將六枚福衛七號衛星與地面支援設備,從太空中心送到桃園機場,接著藉由空運送到在地球另一端的美國佛羅里達州邁阿密機場,再由陸運運送到卡納維爾角空軍基地,進行發射前的準備作業。

運送衛星的氣墊車車隊從邁阿密機場出發,抵達美國佛州卡納維爾角空軍基地SpaceX的酬載作業廠房。圖/國家太空中心提供

上圖為運送三個衛星運送箱的氣墊車,車隊會率先抵達卡納維爾角空軍基地 SpaceX 的酬載作業廠房。相關的地面支援設備會依序從運送箱移出,並進行測試前準備與設置。

福衛七號衛星運送箱在美國佛州卡納維爾角空軍基地SpaceX的酬載作業廠房內開箱實況,照片顯示每一個衛星運送箱裝載兩枚福衛七號衛星。圖/國家太空中心提供

為確保衛星運送箱內外溫溼度平衡,衛星運送箱先送入溫溼度控制良好的潔淨室靜置一天,上圖即是工作人員再進行開箱,準備移出兩枚福衛七號。

六枚衛星安全運抵發射場作業廠房,並順利的移出衛星運送箱之後,接下來會進行那些發射前準備工作呢?下篇 福衛七號在美國的實況報導(下)將會有詳細的介紹。

 

 

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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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