福衛七號在美國的實況報導(下):兩個月就在忙這個!衛星升空前的準備工作

  • 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

編按:本文上篇請見〈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?

福衛七號提早兩個月抵達美國,到底是在做什麼呢?

一、衛星功能測試

衛星在長途跋涉的空運與陸運送過程中,雖然密閉的衛星運送箱能維持乾燥與避震的環境,而且運送箱內記錄器顯示紀錄的壓力變化、溫溼度與衛星承受的振動值,均遠小於衛星環境測試規範。但是為確保衛星功能正常,衛星仍需進行各項功能測試。福衛七號經過測試顯示結果均如預期,一切正常。下面照片就是工作人員正在檢視功能測試結果是否符合規範。

工作人員正在檢視功能測試結果是否符合規範。圖/國家太空中心提供

二、衛星推進系統洩漏測試

在衛星經過運送後的另一項重要檢測,是衛星推進系統的洩漏測試;這同時也是衛星填充燃料前,對燃料槽與輸送管路安全的確認。洩漏測試屬於高壓氣體作業,測試推進系統內壓力為將近 24 倍的大氣壓力,所以在衛星與操作人員之間設置防爆保護裝置,保護人員安全。

洩漏測試的現場實況。圖/國家太空中心提供

下面的照片則顯示兩位工作人員正以低角度監看水柱變化,檢視是否有洩漏情形發生。工作人員採用排水集氣法觀測水柱變化差異,為無須校正且最直接的方法。

兩位工作人員正以低角度監看水柱變化,檢視是否有洩漏情形發生。圖/國家太空中心提供

即使兩組人員同時執行兩枚衛星洩漏測試,但是測試程序繁複且費時,充壓與洩壓的過程漫長,均須注意燃料槽溫度變化,避免過熱或是結露現象。工程師需要專注且長時間工作,極度消耗精神,六枚衛星的洩漏測試總共用了 12 個工作天,是福衛七號發射場作業費時最長的一項工作。

三、衛星飛行軟體設定

在衛星填充飛行燃料之前,最後一個步驟是設定飛行軟體飛行模式

福衛七號在火箭酬載艙內,從發射倒數、發射升空到與火箭分離前都是處於關機狀態。一旦與火箭分離,福衛七號衛星會立即判定已經與火箭分離,而自動執行開機程序,繼而展開太陽能板對準太陽方向進行電池充電,並啟動衛星姿態穩定控制,等待地面控制站進一步通聯與指示。

因此,在地面進行所有的功能與環境測試時,飛行軟體都必須設定為地面測試模式,避免衛星在開機後會自動執行太陽能板展開操作而損壞太陽能板。所以在完成所有地面測試之後,裝載到火箭酬載艙之前,才將軟體設置為飛行模式,從此衛星就不再開機直到與火箭分離。下面的照片就是工作人員記錄衛星開機程序準備進行飛行軟體模式設定。

福衛七號工作人員正在進行飛行軟體最後設定,設定成飛行模式準備發射升空。圖/國家太空中心提供

四、衛星填充燃料

福衛七號衛星推進次系統能產生的推力,用以維持衛星運行的軌道高度,以及變換軌道高度進行六枚衛星星系全球部署。推進次系統使用聯氨單基推進劑作為燃料,聯氨為具有高毒性、腐蝕性與爆炸性的液體,因此通常都在衛星運抵發射場後,要發射前才進行填充作業。在可進行填充燃料作業的發射場酬載作業廠房內,均設有防爆規模的設施與聯氨偵測警報器,例如:防爆的插座、電纜線、照明與電器設備等等。填充燃料時工作人員均得穿的像太空人一樣,有獨立空氣供應與外界隔絕的服裝 (Self-Contained Atmospheric Protection Ensemble suits, 簡稱 SCAPE),避免填充燃料時聯氨外洩造成人員中毒,傷害人體呼吸系統而危害生命。

由福衛七號衛星的燃料供應槽外觀警告標誌顯示:聯氨是一種具高毒性、腐蝕性與爆炸性的液體。圖/國家太空中心提供

 

福衛七號在發射場準備作業中,工作人員正在進行一次填充三枚衛星推進次系統燃料的準備作業。圖/國家太空中心提供

因此,灌注衛星燃料均視為高危險作業,作業時不能有其他人在相同工作區域工作。因為潔淨室內仍有其他衛星計畫作業,所以福衛七號燃料填充必須排在晚上進行作業。工作人員一次進行三枚衛星的燃料填充作業,因為工作不同屬性與較長工時,需分成兩班進行。機械操作班將衛星移置到燃料填充架上,做好灌注燃料的準備;燃料填充班穿著 SCAPE 服裝灌注燃料到衛星內。兩班均須在晚間交替進行,雖然對工作人員是一項精神與體力的考驗,但團隊仍在三天內完成六枚衛星燃料填充作業。

五、衛星與火箭分離系統安裝

因為安裝衛星與火箭分離系統後,會使得穿著 SCAPE 服裝與手套去執行衛星燃料填充作業變得相對困難,所以原本預定於衛星燃料填充前進行的分離系統安裝,安排在填充燃料後執行。前面提到的分離系統包括五個部分:

一是與衛星連接的上環;
二是與火箭連接的下環;
三是固定上環與下環在一起的固鎖環;
四是將可以將固鎖環固鎖與分開的螺桿釋放裝置;
最後是可將衛星彈離火箭的彈簧彈射裝置。

太空中心工作人員正在進行火箭與衛星分離系統下環的彈簧彈射裝置。圖/國家太空中心提供

當衛星即將脫離火箭時,火箭會下達指令給釋放裝置,引發火藥爆炸,釋放原本固鎖的螺桿,固鎖環隨即鬆開。此時,在下環已有壓縮預力設定的彈簧裝置,立即將衛星彈離連接下環的第二節火箭。

太空中心人員在發射場酬載作業廠房內,安裝衛星下方與火箭相接的分離系統。圖/國家太空中心提供

因此安裝分離系統的工作就包括了:預力壓縮彈簧裝置、連接上環到衛星端、連接下環到火箭分配轉接環(Dispenser Ring)、鎖緊固鎖環雙邊的螺桿至規範的磅數、以及安裝引發火藥。整個安裝過程冗長繁複,而且是衛星能否脫離火箭啟動自動開機程序,最為關鍵性的一步。接受完整訓練且有豐富經驗的工作人員小心翼翼地按照程序書,完成六枚衛星分離系統的安裝。原本這項工作規劃了六天,但本次只用四天就完成了。

六、更換太陽能板展開與固定纜線

福衛七號衛星的兩片太陽能板在火箭艙內時,是摺疊收合在衛星的一側,並以四條纜線固定在衛星側邊。當衛星與火箭分離時,衛星自動開機程序會下達指令,將纜繩上下方都有的電熱刀通電加熱切斷纜繩,解開太陽能板的束縛。此時,預力的彈簧與阻尼系統會以定速將太陽能板展開。

特殊材料製成的纜線在安裝後有一年的有效期限,超過有效期限,纜繩張力降低,可能造成電熱刀無法將之燒斷的風險。而太陽能板固定纜繩是在去年 7 月更換成飛行品,但發射日期已接近今年 7 月,所以考量計畫風險決定,更換太陽能板固定纜繩,避免發射延遲造成失效的風險。更換纜繩工作人員需要事先進行受訓,取得資格才能進行更換作業。下面的照片就是工作人員正在為衛星更換太陽能板固定纜繩。纜繩安裝後需要以扭力方式增加纜繩張力,以維持固定太陽能板的力量,也提供電熱刀切斷纜繩時所需的張力。

發射場酬載作業廠房內工作人員正在為衛星更換太陽能板固定纜繩。source:國家太空中心提供

七、衛星最後檢查與整裝

從 4 月 16 日衛星運抵發射場酬載作業廠房開始,經過一個半月的時間,六枚衛星在成文的此時已經完成發射前所有的準備作業。在衛星安裝到火箭上之前,最後四個步驟是外觀檢查多層熱絕緣體(Multi-layer Insulation, MLI)最後整裝安裝各項啟用連接器(Enable Plug)以及移除各項地面保護裝置

在所有準備作業完成後,外觀檢查是極為重要的關鍵。必須依程序列表檢查各安裝項目是否確實安裝、以及外觀是否有不符事項,例如:在燃料填充與分離系統安裝後,需要完整化衛星表面用以隔絕衛星對外熱交換之多層熱絕緣體,尤其是推進系統的閥件出口與噴嘴;以及分離系統介面位置。下面照片即為太空中心工作人員在衛星安裝到火箭之前,進行多層熱絕緣體最後整裝。

工作人員正在安裝多層熱絕緣體。圖/國家太空中心提供

雖然衛星在潔淨室內組裝與測試,但經過長時間的累積,仍有少量的落塵在衛星表面。塵點會影響功能的太陽能板衛星散熱器表面就必須進行清潔,以維持充電與散熱效率。下圖即為工作人員以燈光輔助仔細檢查太陽能板表面是否有塵點。

太空中心工作人員在衛星安裝到火箭之前,仔細的檢查太陽能板。source:國家太空中心提供

衛星上的啟用連接器(Enable Plug)在安裝到插座之前,插座可以提供外部測試支援設備連接到衛星進行不同功能測試。飛行前會移除測試線束,安裝啟用連接器,之後就可以分別構成與啟動飛行型態與模式,所以在啟用連接器未安裝時,也可防止進行其他測試時該功能被意外啟動。

福衛七號共有 8 個啟用連接器,分別是太陽能板展開啟用連接器、兩個太陽能發電啟用連接器、推進系統啟用連接器、電池啟用連接器、訊號連結啟用連接器、電源正極與負極啟用連接器。

太空中心工作人員在衛星安裝到火箭之前,清潔安裝衛星啟用連接器的插座。圖/國家太空中心提供

除了飛行前安裝啟用連接器屬於飛行前安裝項目(Install Before Flight, IBF)之外,還有飛行前必須移除項目(Remove Before Flight, RBF),通常是一些保護裝置,例如:保護表面極為脆弱的太陽能板的保護罩、天線保護罩、保護星象儀避免塵點汙染鏡頭的鏡頭蓋、推進次系統噴嘴的保護罩等等。

福衛七號在美國佛州卡納維爾角發射場作業人員合照,後面為已經在發射場完成發射前衛星作業準備,整裝待發的六枚衛星。圖/國家太空中心提供

八、衛星安裝到火箭分配轉接環

衛星本身發射前所有準備工作都完成後,接下來的重頭戲是安裝衛星到火箭上。

衛星為火箭的酬載客戶,幾乎所有火箭都會將衛星安裝在火箭頂端的酬載艙內,預計在 6 月底發射的獵鷹重型火箭也不例外。本次發射由美國空軍的 Space Test Program-2(STP-2)任務編組負責,除了六枚福衛七號衛星之外,還有其他計畫的衛星一起發射升空,總數共 24 枚衛星。這 24 枚衛星計畫依軌道高低與軌道型態,分別被安裝在三段特殊設計的火箭酬載分配轉接環(Dispenser)上。

六枚福衛七號與 STP-2 任務其他衛星,共 24 枚衛星均已順利安裝到獵鷹重型火箭的火箭酬載分配轉接環上。圖/國家太空中心提供

安裝這些為數不少而且大小、形狀、重量與任務均不同的衛星,必須依照一定程序,在不互相干涉的條件下進行安裝。所有的安裝工作均經過事先規劃,並且所有團隊在每天工作開始前,會舉行會議協調工作時間與進廠順序。截至目前為止 24 枚衛星均已順利安裝到獵鷹重型火箭的火箭酬載分配轉接環上,並且也已經與火箭酬載艙完成封裝(Encapsulation)。

STP-2任務24枚衛星準備進行與火箭酬載艙封裝(Encapsulation)。圖/國家太空中心提供

未來還有哪些工作?

火箭酬載艙以整流罩(Fairing)封裝後,未來工作還有:

一、未連接火箭酬載艙的火箭進行靜態點火測試,確保火箭運作正常;
二、運送火箭酬載艙到 SLC 39a 發射台旁的火箭廠房與第二節火箭對接,進行電氣連接與機械安裝;
三、發射任務模擬演練 (Mission Dress Rehearsal, MDR),演練發射倒數時的火箭與酬載均可以運作正常,達可發射狀態;
四、將水平姿態火箭運送到發射台,立直準備發射。

在發射任務模擬演練之前,目前已經完成兩次整合團隊練習(Integrated Crew Excise, ICE),除演練發射倒數程序之外,並由獨立團隊模擬異常狀況,考驗在 4 小時發射倒數過程中,火箭團隊與衛星團隊對異常狀況的應變處理能力。

因為福衛七號衛星電池啟用連接器已安裝,電池開始微量放電,所以福衛七號發射工作團隊仍需利用火箭準備作業空檔,每兩天透過火箭端介面對 6 枚衛星電池進行充電。

在整個六枚福衛七號發射前準備的工作過程,工作項目複雜繁重,而且必須與 STP-2 任務的眾多衛星團隊進行介面協調。這是太空中心第一次完成,與其他的任務衛星計畫同時進行發射準備作業。在六枚福衛七號星系發射準備的過程中,有遭遇問題與面臨挑戰,但解決各項問題的經驗讓太空中心團隊又再次的成長,作了「沒有最好只有更好」這一句話的最佳詮釋。


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活躍星系核

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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