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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

活躍星系核_96
・2019/06/21 ・5007字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 528 ・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

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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(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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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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火箭阿伯的「臺灣太空港」願景——專訪國家太空中心主任吳宗信
科技大觀園_96
・2022/01/16 ・4905字 ・閱讀時間約 10 分鐘

臺灣的「國家太空中心」於 1991 年成立至今屆滿 30 年。恰好在而立之年,行政院 11 月 25 日拍板「國家太空中心設置條例」,若立法院審查順利,太空中心將於 2022 年升格為直屬科技部的行政法人,大力推動我國太空科技及產業發展!

談到臺灣的太空發展,你可能會先想到 2019 年發射的「福衛七號」;但若談到火箭,你可能會先想起一個身著橘色連身衣的阿伯,操著臺語在 TED 講台上侃侃而談的身影,也就是現任國家太空中心主任吳宗信。

「火箭阿伯」吳宗信在今年 8 月接任國家太空中心主任,在「產官學」三界都走了一遭。圖/呂元弘攝

放眼宇宙卻心懷鄉土的「火箭阿伯」,是很多人對吳宗信主任的印象。吳宗信在 2012 年在陽明交通大學創立了前瞻火箭研究中心(ARRC),同時也有創立太空科技公司的經驗。如今他在今年 8 月接任國家太空中心主任,在「產官學」三界都走了一遭。

談到何為「太空產業」的基礎問題?吳宗信解釋,火箭與衛星的發展,需要很多不同專長的人才,仰賴跨領域合作,「是一門精密且嚴謹的系統工程。」

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火箭產值雖然不大,卻對太空產業至關重要

談到臺灣的太空產業該如何發展?吳宗信指出,要發展太空產業,除了過去國家太空中心專注於的衛星發展,擁有自主發射火箭的能力也很關鍵。以馬斯克的 SpaceX 為例, SpaceX 是先將火箭發展起來,接著才有如星鏈(Starlink)的衛星服務,透過這樣的過程來達成太空產業一條龍。

然而有趣的是,火箭其實只佔太空產業總產值的大約 2-3%,因此光靠火箭賺大錢其實很困難。既然產值很少,那大費周章的研發火箭到底有什麼好處呢?

對此吳宗信解釋,一個用在衛星上的設備和地面設備最大的差別,就是前者必須能在真空、高輻射、高溫差的太空環境運作,也要能承受震動、噪音等火箭發射過程帶來的考驗。

因此,雖然地面上也能模擬出類似太空中的環境,但要驗證一個設備是否符合「太空等級」,還是要直接送上太空長時間運作,經過真實的極端環境考驗才能見真章。如果有能力自己發射衛星,那對於太空相關設備的驗證頻率就能得到顯著提升,整條產業鏈的進步的速度才會快。

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「遙測」及「通訊」雙軌進行,強化自主衛星發展能力

火箭研發是臺灣太空產業未來發展的關鍵,但同時衛星發展的腳步也並未因此停下來!國家太空中心目前正在執行自 2019 年起為期 10 年的「第三期太空計畫」,該計畫以開發「遙測衛星」為主。

吳宗信提到,在遙測衛星部分,目前有六枚解析度1米,經地面影像處理後解析度可達 0.7 米的「光學遙測衛星」(也就是福衛八號計畫)。福衛八號衛星第一枚(FS-8A)科學酬載的研製由成功大學負責,主要發展雙波段大氣瞬變影像儀與電子溫度密度儀,目前規劃於 2023 年發射;同時,太空中心未來也將再發展兩枚「超高解析度遙測衛星」。

福衛八號衛星示意圖。圖/國家太空中心提供

吳宗信指出,第三期太空計畫還有兩枚合成孔徑雷達(SAR)遙測衛星的計畫,不同於福衛二、五、八以「可見光」遙測,合成孔徑雷達因為觀測波段可以穿透雲層,全天候皆可使用是其優勢之一。

除了遙測衛星以外,發展「通訊衛星」也是國家太空中心的重要計畫。目前正在執行兩枚 B5G(Beyond 5G)衛星計畫,目前規劃 2025 可以發射第一枚;在研發上,衛星可以分成本體(Bus)與酬載(Payload)兩部分,對於臺灣首次自主發展通訊衛星,吳宗信表示,在衛星本體上,國家太空中心已經有一定的自製能力,「臺灣幾乎能百分之百自主研發了。」

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至於 B5G 衛星的酬載部分,例如通訊模組等等,則正與工研院資通所合作,並與產業界一同發展相關技術,也希望未來能達到高度自主的研發能力。

臺灣太空產業要升級,得先著手打造「環境」

為了國產衛星載具的目標,吳宗信在 2012 年於交大成立了前瞻火箭研究中心,但這些年來前瞻火箭其實經營的非常辛苦。過去幾年,前瞻火箭大約募得一億六千萬新臺幣,製造火箭的技術也達到能讓火箭在空中懸浮的水準,但這似乎已經達到學校單位能做的極限,若要繼續發展下去,在人、時、地、物的支援都需要有更大的規模,然而學校不是企業或是國家單位,學生有自己的前途,因此難以留住人才。

另一方面,很多大學研究室在做的東西,由於相對單純,需要控制的變因很少,可以相對簡單的透過改變某一個部分就能夠看到效果,同時也可能只需要幾個學生合作就能夠完成。但火箭與衛星可不是這樣,它需要數百人的團隊合作,而一個系統可能有一萬個零件,只要一個螺絲做得不對,整個系統就會失效。這樣的工作,沒有一個由全職工作者組成的團隊,是很難完成的。

也因為火箭研發在學界內缺乏資源及環境,今年 8 月甫接任國家太空中心主任的吳宗信,在「換了位置卻沒換腦袋」的情況下,轉換跑道繼續推動臺灣的太空產業發展,捲起袖子,誓言把臺灣的太空產業環境建立起來!

吳宗信(左)8 月接任國家太空中心主任;中為國研院吳光鐘院長、右為前代理主任余憲政。圖/國家太空中心提供

建立產業基石,是國家機關的重責

吳宗信表示,過去開發火箭跟很多廠商合作的過程中,他也將臺灣的產業掃過一遍,發現臺灣的太空相關產業鏈其實深度及廣度兼具,甚至有許多廠商原本就有接到歐美國家訂單生產太空相關零組件,只是基於保密協議廠商不能宣傳。

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那既然臺灣並非沒有發展太空產業的能力,以前為什麼不做呢?吳宗信說,就像是廣告中的一段經典台詞:「阿伯,失火了你怎麼不跑?」「啊腳麻是要怎麼跑?」由於沒有適當的發展環境與法規,很多事情就無法順利進行,像是不久前晉陞公司的飛鼠一號火箭在國內無法順利發射,就是實際的例子。

因此吳宗信認為,雖然國家單位的效率一定不比有生存壓力的私人公司,但國家卻能夠改善整體產業的發展環境,「就如同廚師要煮出好菜,也要先有廚房和爐具。」而在未來的太空產業中,廚師是民間廠商,那麼國家的角色就是幫忙把廚房準備好。像是目前完成立法的《太空發展法》、以及未來國家火箭發射場的設立等,就是建立太空產業發展基石的重要工作。

同時,與民眾、民代的溝通,也是發展太空產業非常重要的一環,吳宗信也提到,讓事情清楚透明,是讓大眾與民意代表從懷疑到支持的關鍵。

打造臺灣太空港:實現「南火箭北衛星」願景

隨著全世界太空產業的發展,未來也充滿不同的可能性,像是 SpaceX 有提出利用星艦(Starship)火箭系統,進行長程國際航班的構想,如同現代的港口與機場,未來臺灣可能會需要「太空港」來滿足各種火箭發射的需求。而太空港也會需要對應的後勤設施,並且可以結合太空產業科學園區,讓國內外的太空公司設廠製造火箭與衛星。

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另一方面,這樣的太空港也可以結合地方特色發展觀光,「說不定以後每個臺灣的年輕人成年禮,都可以去參觀火箭發射和國家太空博物館」吳宗信說道。

吳宗信也提出了「南火箭、北衛星」的構想,期許未來臺灣南部能成為火箭研發、生產與發射的重要基地,而北部則可以延續過去國家太空中心發展衛星的基礎,成為衛星發展重鎮。 

吳宗信指出,未來臺灣可能會需要「太空港」來滿足火箭發射的需求;圖為美國的甘迺迪太空中心,為 NASA 發射火箭的重要太空港。圖/Pixabay

投資太空不是豪賭,科研走的每一步都算數!

吳宗信表示,在太空產業發展上若政府願意帶頭出來衝,民間會有更多企業投入太空產業。

吳宗信說,過去臺灣在不同產業的嘗試,有半導體業的成功案例,但也有許多投入資源卻沒發展起來的產業。但投資本來就不可能穩賺不賠,也不能永遠固守既有的優勢產業。現在太空產業出現了機會,並不代表做了一定會成功,「但不做就完全沒有機會了。」

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另外,太空產業的發展最終不論是否能開花結果,投入資源訓練出來的人才、發展出的技術其實都能應用在不同領域。像是 1960 年代的美國,就因為阿波羅登月計畫所需,大力推動如 IBM 等民間電腦公司的快速發展,「科技就是這樣一步一腳印創造出來的。」

如果想要進入太空產業,可以怎麼準備?

跨領域合作在太空產業非常重要。吳宗信說明,在衛星方面,大約有三分之二與電機和資訊工程相關,而火箭方面,則是有三分之二與機械、材料與結構等等相關。因此對於有志在未來投入太空產業的學生,航太系會是很好的選擇,但很多理工科系也都與太空產業有關,職涯發展上不會因「非航太系」而受限。

吳宗信也鼓勵對於太空產業有興趣的大學生在本科系繼續學習的同時,可以在大三大四去修一些與衛星、推進等等課程,接著研究所再到國內外相關系所深造。

而職場的選擇,則要取決於自己想要「怎麼參與太空產業」,像是進入一家太空產業鏈上製造特定零組件的公司,也是參與太空產業的一種方式,而若是想接觸更完整的太空產業,則可以選擇到做系統整合的公司或是太空中心就職。

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火箭與衛星都是複雜的「系統工程」

火箭與衛星的研發製造,都必須整合很多不同次系統,是一門非常精密且嚴謹的系統工程。以火箭系統為例,推進、結構、航電、軟體、硬體和通訊等系統缺一不可,這些系統各自都是不同的專業,但系統間又要能完美的配合,若火箭上任何系統無法順利運作或配合,這支火箭就跟「沖天炮」差不多了。

而臺灣的大學科系目前在授課上較少有「系統工程」的規劃,每個不同專業的領域各做各的就像是一個樹林裡,「有些人種芒果,有些人種龍眼,每一群人都很擅長照顧自己的作物,但卻不知道樹林裡還有哪些水果。因此就需要有人開直升機從上往下看,看看到底有哪些資源,並且對其他領域稍微多懂一些,才能有效的整合。」

吳宗信強調,系統工程就是「不能見樹不見林,更要『見樹又見林』」。也因此,吳宗信也期待未來臺灣能有「太空系統工程」碩博班的設立,以培育更多產業所需的太空人才。

從打橄欖球到做火箭,那些同樣重要的事

訪談中吳宗信也分享自己在臺大時期是橄欖球隊一員,主打九號傳鋒[註]位置的吳宗信笑著說:「那時候我這個體格,在全臺灣高中以上的橄欖球員中應該就是我最輕,不到 50 公斤,但憑著快速靈活的身手,也能成為球隊中重要的一員。橄欖球很好玩,在倒地之前只能將球往後傳,一定要球傳下去,任何位置都很重要,我也在那邊學到很多團隊合作精神。」

吳宗信表示過去做火箭時,有好幾次測試中火箭摔在地上,甚至斷成兩截,面對不斷失敗產生的壓力,其實對身體及精神都是折磨,這些挫折也曾讓團隊懷疑過,自己到底要不要繼續做火箭?但就如同橄欖球場上的磨難,但當很多人一起做事時,就可以分工合作,克服很多困難與阻礙。

而不論是打橄欖球或是做火箭,吳宗信說,他很喜歡扮演「箍桶」(臺語:khoo-tháng)的角色,也就是木桶上的鐵環。因為有了箍桶將木片整合在一起,木桶才不會散掉,就像是系統工程中,要將不同次系統整合串聯一樣。

註解

  • 註 1:「傳鋒」是橄欖球隊型的九號位,在多數的比賽中,Scrum-half 擔任從前鋒群中接過球並傳給後衛的角色。他們善於團隊溝通,特別擅長指揮前鋒,主要目的是提供後衛群穩定俐落的傳球。
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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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精準預測氣象的「掩星技術」,讓你知道颱風放不放假!
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・2021/11/16 ・2380字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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新颱風生成後,大家最關心的就是颱風的路徑、帶來的風雨大不大,以及——到底放不放颱風假?要能預測和評估颱風的走向影響,可靠的氣象觀測資料是不可或缺的。這就不得不提,在我們頭頂上認真執行觀測任務的人造衛星,以及它們身懷測知氣象變化的絕技!

每次颱風來襲,大家都關心會不會放颱風假。圖/pixabay

貢獻全球氣象資料,福爾摩沙衛星功不可沒

過去福爾摩沙衛星三號(福三)執勤十年,為全世界多個氣象中心與研究單位提供無以計數的資料,可謂台灣在國際氣象上的外交大使,於減少天氣預報誤差的貢獻度上,更曾被評為全球前五。福三榮退後,接棒的福爾摩沙衛星七號(福七)也在今年二月完成任務軌道的全部部署。福三和福七都不只有一枚衛星,而是由各 6 枚衛星組成的衛星星系(constellation)。每一枚衛星就像在不同位置巡守、收集氣象情報並互相通報的將士,使得觀測範圍可以覆蓋地球各個區域,提供即時而完整的三維觀測數據。

福衛七號結構示意圖。圖/國家太空中心

但福七與行經南北極的「繞極衛星」福三不同的是,它在南北緯 50 度間軌道繞行,主攻台灣、赤道與中低緯度颱風盛行區的觀測。因此福七可以提供密集度更高、更多的溫度、壓力、水氣等氣象資料。國家太空中心推估,它可提升氣象預報準度 10% ——以颱風為例,可以讓 72 小時的路徑誤差改善 10%,協助我們更精準地評估氣象變化與預防災害。

每日可提供 4000 點大氣垂直剖線資料、大幅提升全球氣象預報準確度的福七,究竟是怎麽辦到的?答案就是掩星技術 (Radio Occultation) 。

掩星技術,讓衛星成為太空中最精準的溫度計!

在天文學上,「掩星」指的是一個天體,在另一個天體與觀測者之間通過,產生的遮蔽現象。但英文中的「Occultation」,也可以指前景中的物體,阻擋遮蔽背景中任何物體的情形。而所謂的「掩星技術」,就是利用電磁波訊號在經過大氣層時,會因穿透不同溫度、壓力或濕度的空氣層,被「遮蔽」而產生轉向、變慢、減弱等的特性,來反演出地球上空之溫度、氣壓和濕度。

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衛星與衛星之間,本來因為地球的阻隔看不到彼此,但可以接受來自彼此的電磁波訊號。福七的主要酬載儀器——全球衛星導航系統無線電訊號接收儀」(TGRS),可以接受美國全球定位系統(GPS) 和俄羅斯全球導航衛星系統(GLONASS)全球定位衛星通過大氣與電離層的折射訊號。接著,通過計算電波訊號的偏折程度,就可以反演出大氣與電離層中的溫度、水氣、壓力、電子密度等數據。

掩星技術在 1995 年才開始投入應用,而從 2006 年的福三,到如今福七計劃中積累的研究經驗,使台灣成為這項新穎技術領域的佼佼者。掩星技術所得到的資料具備高準確度和解析度,也擁有不需要大量接收訊號的衛星,就可以得到大範圍數據、降低成本的優勢,不僅可以用作氣象預報,更能幫助我們監控和增進對氣候變遷的瞭解。

衛星加上同位素的助攻,可以使天氣預報更精準

另一方面,除了改善觀測一般氣象資料如溫度、濕度、大氣壓力等參數的準確度,在氣象觀測中新增測定不一樣的參數——如大氣水分子的同位素,也可以讓我們的天氣預報更精準!

過去礙於資料的取得有限,同位素分析在氣象觀測與預報中常被忽略。但近年來人造衛星技術的發展,為氣象科學推開新的一扇窗。來自歐洲太空總署、搭載光譜分析儀的衛星 IASI ( Infrared Atmospheric Sounding Interferometer ),讓東京大學的研究團隊,可以利用其所搜集到的大氣水氣資訊,在氣象預報的模型中,第一次嘗試納入同位素資訊的考量來做分析。

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我們都知道,擁有相同質子數、不同中子數的氫與氧元素之同位素,會讓個別水分子的重量變得更重或輕一些。水分子同位素對氣相和液相轉換相當敏感,與一般的水分子 H2O 相比,較重的水分子如 H2HO 或H218O 會更傾向於凝結成水珠,或更難蒸發。因此蒸發與降雨過程等大氣運動,便會影響不同同位素水氣分子的分佈。追蹤它們的行跡,能增進我們對氣象系統的瞭解。

研究團隊以 2013 年在日本發生的低壓事件作為參照,發現納入同位素的數據之後,氣象模型能更好地模擬這次事件的整體氣壓情形。而在全球的尺度,尤其是中緯度及北半球地區,融合同位素資訊後,氣象預報如氣溫及濕度預測的準確度,也都有所提高。雖然這只是初步的探究,但科學家期許,未來進一步完善氣象觀測衛星對同位素資料的收集,能使人類更往精準氣象預測的目標邁進。

人造衛星就像是科學家的千里眼,能觀測千里之外的風雲變化。發展衛星技術,不僅能讓我們更精準預測氣象,在全球化的現代,也能在國際上發揮「Taiwan Can Help」及互助的精神;各國對航太技術的投入與數據資源共享,更是科研工作與人類社會的一大福音。

福爾摩沙衛星拍攝的美麗福爾摩沙島。圖/國家太空中心

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