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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?

活躍星系核_96
・2019/06/21 ・2754字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 533 ・七年級
  • 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_96
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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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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
952 篇文章 ・ 245 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。
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