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？

本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。

「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。

高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。

回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。

因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的，不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。

好論文，為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案，誰來負責出貨？

訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。

大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

北極星黎明：開創商業太空漫步的新紀元

2024 年 9 月 10 日，載人航太任務迎來了歷史性的突破。由美國富豪賈里德·艾薩克曼率領的四名太空人，乘坐 SpaceX 的獵鷹九號（Falcon 9）火箭和龍飛船（Crew Dragon），開始了為期五天的「北極星黎明 Polaris Dawn」任務。這次任務實現了人類首次商業太空漫步，並打破了過去五十年人類距離地球最遠的紀錄。這也是美國四十多年來首次推出的新設計太空衣，進行了「人體測試」。

這次任務的成果不僅僅令人振奮，還為未來的商業航太業開啟了新的篇章。為了解這次突破的意義，我們先一起來體驗「北極星黎明」任務的精彩旅程。

這位賈里德是何許人也？

賈里德·艾薩克曼，現年 4 1歲，是一位白手起家的美國富豪，擁有零售支付公司的成功經歷。他還是一名充滿冒險精神的飛行家，駕駛輕型飛機創下環球飛行的紀錄，並且會操縱戰鬥機與進行特技飛行。他甚至創辦了「私人空軍」公司德拉肯國際，為美軍訓練飛行員。

賈里德對飛行的熱愛讓他不斷追求新的高度，最終使他與 SpaceX 合作，共同邁向更遙遠的天空。2021 年，他啟動了「靈感四號 Inspiration 4」任務，選擇了三名來自不同背景的一般人，與他一同踏上三天的太空旅程。這次任務向世界展示，普通人也有機會踏上太空，而不僅僅是經過嚴苛訓練的專業太空人。

然而，賈里德並不滿足於此。他希望飛得更高、更遠，甚至挑戰從太空船內走向船外，完成首次商業太空漫步。這便是「北極星黎明」任務的起源。

太空漫步的挑戰

太空漫步並非簡單地穿上太空衣、打開艙門便能完成。以國際太空站為例，太空人在漫步之前需要進入氣閘艙（Airlock），一個介於太空站內部和太空之間的小房間。在氣閘艙中，太空人需要進行數小時的「預呼吸（Pre Breath）」過程，以降低大氣壓力，適應太空衣中的低壓環境，並避免潛水時常見的減壓病風險。

然而，SpaceX 的龍飛船並未設計氣閘艙，這意味著要讓太空人進行漫步，就必須將整個太空艙降壓至真空狀態，再在太空漫步結束後重新加壓。因此，團隊對龍飛船進行了大幅改造，增強了生命維持系統，並安裝了更多氮氣與氧氣槽。

此外，SpaceX 原先設計的太空衣是艙內使用的（IVA Suit），僅用於緊急情況下保護太空人，並不適合太空漫步。為了這次任務，SpaceX 不得不設計一款全新的艙外太空衣（EVA Suit），這是美國自四十年前以來首次設計新型艙外太空衣。

北極星黎明任務的突破

在完成了艱鉅的準備工作後，「北極星黎明」任務終於在 2024 年 9 月 10 日順利升空。這五天的旅程充滿挑戰與創舉，為商業航太寫下了新的篇章。

任務的前兩天，重點是進入 1400 公里高的軌道，這是自 1972 年阿波羅 17 號以來人類距離地球最遠的記錄。此外，兩名任務專家莎拉·吉利斯（Sarah Gillis）和安娜·梅農（Anna Menon）也成為飛得最高的女性。

在完成軌道調整後，第三天的重頭戲——商業太空漫步正式開始。龍飛船內部的氣體被排空後，賈里德和莎拉輪流將身體探出艙外，進行了一系列新太空衣的測試，而其餘兩名組員則留在艙內監控系統。這次太空漫步雖然並未像電影中那樣「漫步」在太空，但其意義非凡，因為這是由私人資金支持的商業艙外活動。

科學研究與未來展望

除了太空漫步之外，任務組員還進行了多項科學實驗和技術測試，包括微重力對人體各器官的影響研究，這些研究對於人類未來長時間在太空生活至關重要。此外，團隊還測試了星鏈（Starlink）雷射通訊技術，以提高太空中數據傳輸的效率。

在任務期間，任務專家莎拉·吉利斯還在太空中用小提琴演奏了《雷伊主題曲》，並通過星鏈技術將影片傳送回地球，與全球音樂家合作完成了一場跨越時空的演出。

任務的最後一天，龍飛船安全返回地球，成功在墨西哥灣降落，為這次史無前例的太空任務畫上了圓滿的句號。

北極星黎明的意義

對於熟悉太空史的朋友來說，這次的太空漫步似乎並不如 1960 年代的雙子星任務那樣驚險。然而，真正的突破在於「商業」二字。這次任務由賈里德自掏腰包資助，展示了商業公司在航太探索中的潛力，就像 SpaceX 在過去二十年所取得的成就。

任務中進行的大量技術測試和科學研究，證明了這不僅僅是富豪的太空旅遊，而是一次充滿挑戰的科學與技術驗證任務。這些經驗和技術將成為未來挑戰月球與火星的重要基石。

「北極星黎明」任務雖然已經結束，但賈里德的太空夢還在繼續。這只是「北極星計畫」的第一步，未來還有至少兩次任務正在籌備中，其中第三次任務將搭乘 SpaceX 的星艦（Starship），進行首次載人飛行。

隨著技術的進步和更多私人資金的投入，還可以期待人類接下來在商業航太領域能取得更多突破。在未來，要來趟真正的太空之旅，看來除了熱愛科學，還需要努力賺錢了。

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本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

衛星的製造和發射成本相當高，普及程度也有限，那麼，你認為「人人都能使用衛星通信」是遙遠的未來，還是即將實現的夢想呢？

如果你近年來有密切關注這個領域，你可能會發現，過去天上的衛星並不多，但最近幾年似乎有了顯著增加。根據 Statista 的數據，2010 年時活躍衛星還不到 1000 顆，2018 年突破了 2000 顆，而到了 2022 年，這個數字已經逼近 7000 顆。

那麼，為什麼我們需要這麼多衛星呢？

科技的進步當然是主要因素之一，但更重要的是「衛星種類的多樣化」。根據運行高度，衛星可以分為四種類型：高橢圓軌道衛星、同步衛星、中軌道衛星與低軌道衛星。這些不同種類的衛星各有其特定的用途和優勢，使得衛星通信變得更為普及和高效。

摩斯當年靠電報解決了地球上的通信問題，但在宇宙尺度上，我們還有很多需要努力的地方。

隨著衛星技術的發展，衛星通信正逐步走進我們的日常生活，並成為可期待的商業服務。然而，我們還面臨許多挑戰，例如低軌衛星可能影響天文觀測，衛星相撞風險增加，以及太空垃圾的問題。但也許在不久的將來，我們每個人都能輕鬆使用衛星通信。讓我們一起展望這個充滿潛力的未來吧！

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參考資料

• Large LEO satellite constellations: Will it be different this time? 
• Number of active satellites from 1957 to 2022
• Who cares about latency in 5G?
• NASA Back In Touch With Voyager 2 After ‘Interstellar Shout’ 
• A Graph-Based Customizable Handover Framework for LEO Satellite Networks 
• 一閃一閃亮晶晶，滿天都是人造衛星 https://pansci.asia/archives/318404