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【快訊】福衛七號順利升空,成功透過達爾文地面站進行通聯!

PanSci_96
・2019/06/25 ・1002字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

在台灣時間 2019 年6月 25 下午 2 點 30 分,福衛七號順利發射升空啦!這次福七使用的發射台與阿波羅 11 號相同, 由 SpaceX 的獵鷹重型 (Falcon Heavy) 火箭總計帶著 24 顆衛星一起進入太空。

火箭主要使用純化煤油與液態氧作為主要燃料,發射後速度極快,能在短短的一分鐘內超越音速。

火箭發射前倒數。圖/截自 SpaceX 官方直播

成功回收部分零件,環保火箭有待努力

為了減少太空垃圾,這次的任務目標原本預期可以回收火箭的大部分零件,以便降低之後的製作成本。依照計畫,完成任務的火箭會回到 SpaceX 的海上平台。

  • 你知道 SpaceX 的海上平台名字是什麼嗎?它被稱為「Of Course I Still Love You」。這其實取自科幻小說中的太空船名稱。

然而,最後雖然成功回收了兩個側推火箭 (side booth),重要的主推進器 (center core) 卻沒能成功落地,這本就是任務中極挑戰的部分,原本 SpaceX 便認為海上回收具有難度,而這也是未來回收火箭的努力方向。(嗚嗚嗚即使你還愛著人家,但它不回來啊 QQ)

最後主推進器沒有成功回收QQ 圖/截自 SpaceX 官方直播

發射了,然後呢?

現在我們已經成功地將福七射上太空?它未來的旅程會如何呢?在接下來的一個多小時中,衛星將逐漸與火箭分離,福衛七號的六枚需要經過約 16 分鐘,才會完全分離。這些衛星的軌道高度約 720 公里,未來將以傾角 24 度繞行地球。

未來,福衛七號將接手福衛三號原本的任務,運用「掩星觀測」技術,期望能成為「太空中精準溫度計 2.0」,為我們蒐集各種氣象資訊,或許有望提升氣象預報準度 10%。

什麼是掩星觀測技術呢?福七會藉由主要酬載儀器「全球衛星導航系統無線電訊號接收儀」(TGRS),橫向接收 GPS 衛星穿入和穿出大氣層所產生的電磁波訊號。

而由於電磁波在穿越不同濕度、溫度、壓力的大氣環境時會產生偏折,藉由觀測訊號轉向、減弱或變慢。福衛七號便會利用這些數據,反推出大氣層中的濕度、壓力與溫度等資料。

17:30 最新更新:衛星發射後 173 分鐘,福衛七號的訊號順利傳送至達爾文地面站,台灣自此可以與位在 720 公里高空運行的六枚福衛七號通聯囉。

讓我們期待福衛七號正式服役後的精彩表現吧!

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睽違三年,重磅回歸:獵鷹重型的現在與未來
EASY天文地科小站_96
・2022/11/04 ・2560字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 文/林彥興(EASY天文地科團隊總編輯,現就讀清大天文所)

台灣時間 2022 年 11 月 2 日晚上九點四十一分,SpaceX 的「獵鷹重型 Falcon Heavy (FH)」火箭從濃霧繚繞的甘迺迪太空中心 LC-39A 發射台轟然升空。睽違三年,世人終於再次體會到世界最強火箭飛向天際,以及雙助推器同時著陸的震撼。

USSF-44 任務中獵鷹重型火箭的升空與著陸。圖/SpaceX

從獵鷹九號到獵鷹重型

相信有在關注太空時事的讀者們,對 SpaceX 的獵鷹九號火箭都不陌生。

獵鷹九號火箭。圖/SpaceX

獵鷹九號是 SpaceX 目前當仁不讓的發射主力,從低軌小衛星共乘高軌頂配同步衛星乃至星際探測器都能一手包辦,而且還擁有能夠「重複使用第一節」這舉世唯一的絕技,在大幅降低成本的同時,也讓 SpaceX 能夠以超過一週一發的超高頻率發射火箭。從 2022 年初至週二當天,獵鷹九號已經發射 49 次,佔世界總發射次數的約 35%;論發射酬載總質量,世界所有其他火箭加起來還不到獵鷹九號的一半。[1][2]

但獵鷹九號雖然優秀,面對少數特別重的酬載(也就是衛星、太空船等火箭攜帶的物體),或是要把酬載送到特別高能量的軌道時,仍然力有未逮。怎麼辦呢?基本概念很簡單:在獵鷹九號第一節兩側,再綁兩根第一節火箭,給火箭更多的燃料、更強的推力,就能把更重的酬載,送到更高更遠的地方,這就是「獵鷹重型 Falcon Heavy, FH」火箭。習慣上,人們將中間那根第一節稱為芯級(Core Stage),兩側的則稱為助推器(Side Booster)。根據任務需求,芯級和助推器可選擇不同的回收模式(陸上回收、海上回收、不回收)。在完全不回收的模式下,獵鷹重型擁有超過 60 公噸的最高理論運載力(LEO),比位列第二的三角洲四號重型火箭多了一倍不只。

發射台上的獵鷹重型火箭,可以清楚的看到並排的芯級與助推器。圖/SpaceX

風光亮相後?

獵鷹重型在 2018 年進行了一場轟轟烈烈的首飛。由於未經驗證的新火箭,一般不會有客戶願意買單承擔風險,因此火箭製造商通常會自費發射一些不太重要的東西,常稱為「假酬載 Dummy Payload」,向客戶展示火箭確實可以把你的衛星送入軌道。這個不太重要的假酬載,也給了工程師們搞怪的機會。

假酬載該選什麼好呢?
大老闆 Elon Musk:「啊,那就把我的 Tesla 跑車打上去吧。」

Falcon Heavy 首飛官方剪輯

首飛隔年(2019)四月和六月,獵鷹重型分別進行了兩次任務(福衛七號就是其中之一噢)。但在這之後,獵鷹重型彷彿就進入了休假期,長達三年都沒有發射任務。為甚麼會這樣呢?這背後的原因有非常多面相可以討論,比如獵鷹九號就已經足以應付現在市場上絕大部分的發射需求、獵鷹重型發射的酬載開發與製造進度延宕等等。篇幅有限,在此就不展開細說。但總之,對太空迷們來說,這三年真的是格外漫長。獵鷹重型還是獵鷹重型,但 2022 的世界已經跟 2019 大不相同了。

獵鷹九號(與其子型號)與獵鷹重型發射次數統計,可以看到比起馬不停蹄的獵鷹九號,獵鷹重型的發射是多麼稀少。來源:維基百科,2022.11.04 數據。

機密任務 USSF-44

回到正題,本次 USSF-44 任務的目標,是為美國太空軍發射機密軍事衛星,前往地球同步軌道。

發射直播回顧。

在上面的影片中,我們可以看到火箭發射的全過程。在轟轟烈烈地起飛後,火箭沿著預定軌道不斷加速。升空後約兩分三十秒,幾乎耗盡燃料兩根助推器率先脫離。而芯級在本次任務中則不進行回收,毫無保留地將所有燃料都用於運送衛星。約四分零三秒,芯級耗盡所有燃料並脫離,由第二節火箭負責繼續將衛星送入指定軌道。由於衛星的機密性,第二節直播就此切斷。直播聚焦於兩個助推器,如何自行返回陸上降落場,並最終成功降落。

本次任務的成功,不僅宣告著獵鷹重型的回歸,也是 SpaceX 第一次直接把衛星送進「地球同步軌道 GEO」,而非一般的「地球同步轉移軌道 GTO」(相關知識可以參考「衛星軌道萬花筒」系列圖文)。擁有將衛星直送 GEO 的能力,對火箭發射商來說意義相當重大。另一方面,雖然可憐的芯級被太空軍指定拋棄了,但兩側助推器的同框降落真的百看不厭。如果覺得這次發射霧太大景不好,不妨多看幾次 2018 首飛的剪輯吧!

還要再等三年嗎?獵鷹重型的未來

那麼,何時才能再次看到獵鷹重型轟然起飛呢?答案可能比你以為的要快。按現在的規畫,明年一月就應當要有兩場獵鷹重型的發射,分別是 ViaSat-3 與 USSF-67,都是 GEO 直送任務。但當然,這是火箭發射,再延宕個幾個月也是很正常的。

往更遠的看,未來五年獵鷹重型將發射的重要酬載包括:

  • 大型行星探測器:靈神星(Psyche,左圖)任務與歐羅巴快船(Europa clipper,右圖)。
圖/NASA/JPL-Caltech/Arizona State Univ./Space Systems Loral/Peter Rubin|N
  • 阿提密斯計畫:月球門戶建造(PPE 與 HALO 艙段)、VIPER 月球車、月球門戶補給(Dragon-XL)。
月球門戶太空站(左下)與 Dragon XL 無人貨船。圖/NASA
南希.葛莉絲.羅曼太空望遠鏡 Nancy Grace Roman Space Telescope。圖/NASA (WFIRST Project and Dominic Benford)
  • 太空軍機密衛星與同步通訊、氣象衛星若干。

相信這些名字對太空迷讀者來說都是如雷貫耳。可見獵鷹重型在美國近期多項重要太空計畫中,都是關鍵角色。接下來幾年,就讓我們拭目以待,一起見證獵鷹重型大展身手吧!

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國際太空站與它的繼承者們——淺談近地軌道商業服務的歷史
EASY天文地科小站_96
・2022/02/17 ・3898字 ・閱讀時間約 8 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 文/林彥興|EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生,努力在陰溝中仰望繁星

2021 年底,美國政府宣布再次延長國際太空站(ISS)的服役年限,讓它繼續運作到 2030 年,續寫這座人類史上最大人造衛星的傳奇。與此同時,NASA 的「商業近地軌道太空站」(Commercial Leo Destinations, CLD)也正如火如荼地展開,旨在創造多元而蓬勃的近地軌道經濟圈。

舉世唯一的微重力實驗室:國際太空站

國際太空站絕對夠格問鼎當代最偉大的工程奇蹟之一。由美國、俄羅斯、日本、歐洲與加拿大共同打造,ISS 的質量約 450 公噸,大小相當於一座美式足球場,是歷史上最大最重的人造衛星,二十多年來以約 7.6 km/s 的高速,在 400 多公里高的近地軌道上繞行地球。太空站上常駐約 7 名左右的太空人,負責維護太空站的運作,並且在這獨一無二的微重力環境下,進行各式各樣的科學研究。

2021 年 12 月 9 日,從載人版天龍號太空船(Crew Dragon)拍攝的國際太空站。圖/NASA Johnson

這樣一個龐然大物,世界上沒有任何一款火箭有辦法一次就把它送上軌道。因此 ISS 的建造,是一次一個地把艙段發射到軌道上,然後讓它在茫茫太空中,精準地與之前發射的其他艙段對接,像拼樂高一樣,一步一步地把整個太空站組裝起來。從 1998 年到 2011 年,多國團隊一共花了 13 年的時間、31 次發射,才完成 ISS 的建造。

國際太空站從 1998 至 2011 的主要組裝過程縮時。整體而言 ISS 自 2011 之後並沒有太多大規模的改動,但仍有新增新的艙段(如 BEAM、Nauka、Prichal)、更換電池(如 HTV-6 帶上去的鋰離子電池)與太陽能板(如 iROSA)等設備。影/YouTube

然而,光是「建造」太空站是不夠的,為了維持太空站的運作,太空站上必須要有太空人常駐,因此每隔幾個月,多國團隊就得發射載人任務,把新一批太空人送上太空站,並讓前一批太空站上的太空人返回地球。同時,為確保這些太空人能在太空正常生活,它們還得更頻繁地發射無人貨運太空船,為太空人帶來食物、水、維修零件等資源。

截至 2021 年底,已發射了超過 66 批「遠征隊」(expeditions)輪班駐守 ISS,並且發射 144 趟無人貨運任務。每一趟任務背後,都要耗費數億美金的火箭發射成本,及數百噸的火箭推進劑。再加上太空人的訓練、基礎設施建造、早期的研究與試驗、多國間的協調合作……等等,這個計畫的規模之宏大可見一斑。

自由市場的力量:商業補給與運載服務

國際太空站的建造與運作是如此的昂貴,即使是全世界資源最豐富的太空機構:NASA,要長年維持它的運作也顯得力不從心。

其中一個重要的原因,在於 NASA 當年用於運補國際太空站的主力——太空梭(STS)。太空梭不僅操作危險,成本也非常昂貴。面對這種情況,NASA 想到:「也許我們可以從最簡單運送補給物資開始,培養一批民間太空公司,等它們的成長茁壯之後,就可以把這些「日常瑣事」外包出去給它們做。」

在自由市場的競爭壓力下,這些民間太空公司自然會拚命地找出效率最高的辦法達成目標。如此一來,NASA 省了錢,又培育了國內的航太科技實力,豈不是一舉兩得?

於是,2006 年,NASA 啟動了「商業軌道運輸服務」(COTS)計畫,讓民間太空公司在 NASA 專業人員的幫助之下,自行設計一套火箭與太空船參與競爭。

每達到一個 NASA 設定的里程碑,就可以拿到相當可觀的資助,進行下一階段的開發,由此一步一步地完成整套系統的開發。經過激烈的競爭,最終由老牌太空公司「軌道科學」(Orbital Science)與當時的新創太空公司 SpaceX 奪下勝利,取得「商業補給服務」(CRS)合約。時至今日,雙方的「天鵝座」(Cygnus)與「天龍號」(Dragon)系列貨運太空船,仍是補給國際太空站的主力。

SpaceX 的 Cargo Dragon 2 太空船(左)與 NG 的 Cygnus 太空船(右)是如今 ISS 補給任務的兩大主力。嚴格來說,這兩艘太空船和其搭配的火箭已經改良多次,與 2008 年奪得 CRS 合約時的設計早已大不相同。Orbital Science 在 2015 年與 Alliant Techsystems 合併為 Orbital ATK,又在 2018 年被諾斯洛普.格魯曼(NG)買下。科技產品與市場環境的高速變化,有時候實在是讓筆者很難一句話把事情講清楚。圖/NASANASA

有了 CRS 的成功經驗,NASA 決定打鐵趁熱,在 2011 年啟動「商業載人服務」(CCP),讓商業太空公司負責難度更高的載人太空飛行任務。

經過多年競爭,這次脫穎而出奪得合約的是 SpaceX 與波音兩家公司。然而,命途多舛的波音「CST-100 星際航線」(Starliner)太空船頻頻發生問題,至今(2022 年 2 月)仍未成功執行任務。另一邊,SpaceX 的「載人版天龍號太空船 Crew Dragon」太空船則相對順利得多,不僅已經 4 度成功把太空人送上 ISS,更將 Crew Dragon 用於太空旅遊,在「靈感 4 號」(Inspiration 4)任務中讓 4 位民間太空人體會了 3 天的軌道飛行,並且未來還會執行更多類似任務。讓我們看到這些為政府機構打造的太空船,其實有著巨大的商業潛力。

朝陽下,裝載於獵鷹九號火箭頂端等待發射的 Crew Dragon。圖/SpaceX
比起太空梭等上個世紀設計的太空船,Crew Dragon 的控制面板採用大面積的觸控螢幕,整體設計簡約而現代。圖/SpaceX

商業近地軌道太空站:打造蓬勃的近地軌道經濟圈

時光飛逝,歲月如梭,國際太空站轉眼間已經服役超過 20 年。整體而言,太空站的狀態還算良好,但是大大小小的故障仍時有耳聞。因此,即使美國政府宣布讓 ISS 持續服役到 2030 年,尋找國際太空站的接班人仍是刻不容緩。

對此,NASA 故技重施,啟動了「商業近地軌道太空站」(Commercial Leo Destinations, CLD)計畫。這次不只運貨、載人,而是要讓商業太空公司自行設計、建造與運營商業太空站。經過第一階段的評選,目前有 3 組團隊獲選,它們分別是:

  1. Orbital Reef,此為藍色起源(Blue Origin)與內華達太空公司(Sierra Space)、波音、Redwire Space、Genesis Engineering Solutions 等多家公司組成的聯合團隊所提出的方案。它擁有大直徑的艙段、大直徑的對接口,能夠支持 6 名太空人的生活,無論是技術或是商業規劃上都相當有野心。
  1. Starlab,此為 Nanoracks、Voyager Space 和洛克希德·馬丁(Lockheed Martin)組成的聯合團隊提出的方案,特色是使用了一個巨大的充氣式艙段,讓整座太空站只需發射一次就能進入軌道,不需要多次發射再對接。
  1. 第三個是諾斯洛普.格魯曼提出的太空站計畫,不過它目前還沒有一個閃亮的名字。相較於上述 2 項方案,諾斯洛普的計畫就顯得相當中規中矩。它們使用了大量現成的技術以降低開發風險,避免計畫延宕,但就顯得缺乏亮點,商業計畫也相對不被 NASA 看好。

最後,當廠商們的技術發展成熟(預計是在 2025 年以後),NASA 就會從指導者變成客戶,付錢購買廠商們的服務。除了角逐 CLD 計畫的 3 個團隊之外,還有另一組人馬——Axiom Space,也是商業太空站大賽的選手之一。比起剛剛起步的 CLD 三家,Axiom Space 不僅已經拿到 NASA 的合約,而且太空站怎麼建造也都已經有了相當完整的規劃。若進展順利,應該會成為第一個成功入軌的商業太空站。

Axiom Space 的太空站建造動畫。多個艙段將首先被安裝在 ISS 上,直到最後整個太空站建成之後,再脫離成為獨立的商業太空站。影/Axiom Space

蓬勃發展的近地軌道經濟圈

國際太空站是 21 世紀初人類的太空技術結晶,是世界各國耗時 13 年、斥資上千億美金完成的偉大工程。然而時過境遷,這座龐然大物逐漸顯露疲態。值得慶幸的是,得益於 15 年來商業太空領域的高速發展,民間太空公司已經一步步掌握火箭、貨運、載人太空船,乃至於太空站的開發與運營技術,讓太空不再是政府機關的專利,也讓 ISS 不怕後繼無人。

隨著資源與人力的不斷投入,一個生機勃勃的近地軌道經濟圈,也許並沒有我們想像的那麼遙遠!

參考資料與延伸閱讀

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全台首座科研火箭場正式啟用!——坐落在依山傍海的屏東牡丹鄉
PanSci_96
・2022/01/18 ・2110字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

科技部「短期科研探空火箭發射場域」近日開放符合規定的火箭科研團隊申請使用!這是台灣太空發展繼去年 5 月立法院三讀通過《太空發展法》後,另一個重要的里程碑。

什麼?台灣竟然有發展太空科技!

沒錯!截至目前為止,全球有超過 90 個國家擁有自己的衛星,並有超過 31 個國家制定了國家太空法規,可見各國都砸下重金發展衛星和火箭等相關技術。正因為太空科技是現代全球競爭的新場域,台灣在具有基礎技術能量的前提之下,也決定加入太空科技的行列!

自 2020 年以來,行政院開始推動資訊及數位、資安卓越、精準健康、綠電及再生能源、國防及戰略、民生及戰備等六大核心戰略產業。其中,太空科技為國防及戰略產業的核心領域。在今年 1 月 13 日起開放申請的「短期科研探空火箭發射場域」,是台灣第一座以科研任務為主的火箭發射場,更是太空科技的里程碑!

地處屏東原住民部落的發射場域

科技部選定屏東縣牡丹鄉旭海村牡丹灣段 742-1 及 743-1 地號做為「短期科研探空火箭發射場域」,該場域占地面積 9,700 平方公尺,是國有海岸林地,也是原住民保留地。由於涉及原住民族的土地及權利,根據《太空發展法》第 12 條,必須依照《原住民族基本法》辦理。《原住民族基本法》第 21 條則規定「政府應諮商並取得原住民族或部落同意或參與,原住民得分享相關利益」,因此,科技部與當地「旭海部落」反覆協商後,在去年順利取得了同意。

旭海部落位於牡丹鄉最東側,是依山面海的漁村型部落,早期被稱為「牡丹灣」(macaran),意思是「水量豐沛的沼澤地」。最初來這裡開墾的是斯卡羅族,後來陸續有阿美族、排灣族、平埔族,以及閩南、客家等族群聚居,最後形成了一個族群融合的聚落。部落居民在得知該地被選為火箭場,有機會刺激觀光、帶動就業機會後,不少居民樂觀其成。可是,當地居民以出海捕魚、抓龍蝦為生,因此也有不少居民擔心火箭場將破壞牡丹灣的水域生態,使得魚及龍蝦的數量銳減,影響生計。

對此,科技部提出回饋方案,表示若居民因火箭試射而無法出海捕魚,將可享有補貼,而平時更有水電費和獎學金補助。另外,國家實驗研究院國家太空中心每週都派專員深入當地,傾聽村民心聲,也召開多場說明會,解答民眾疑問,讓當地居民了解火箭場落腳旭海的利弊得失。部落原訂去年 5 月舉行會議,卻因為疫情延宕至 11 月,最終共有 112 位居民出席,獲得 85 張同意票,正式通過我國第一座合法、安全且能維護原住民族權益的火箭發射場域。

圖為牡丹灣,鄰近的旭海部落早期即被稱為「牡丹灣」,意思是「水量豐沛的沼澤地」。 圖/牡丹鄉公所

誰可以合法申請、發射火箭?

立法院在 2021 年 5 月三讀通過《太空發展法》,是台灣第一部國家太空法案。《太空發展法》共計 6 章 22 條,內容規定主管機關為科技部,負責設置發射場域,而計畫執行單位為國家太空中心,負責營運、管理發射場域。另外,也規定發射載具僅能在國家發射場域實施發射。

位於旭海的「短期科研探空火箭發射場域」是台灣邁向完備太空基礎設施的第一步。然而,考慮到當地原住民權益,科技部承諾除非經過該原住民部落同意,否則將不會提供其他單位使用,後續相關作業也將由國家太空中心依據「短期科研探空火箭發射場域利益分享作業要點」辦理。

國家太空中心主任吳宗信強調,「短期科研探空火箭發射場域」不是提供給大型火箭發射,而是提供給科技部補助、委託或出資之執行單位或受委託單位申請,特別是各大專院校相關學術研究單位(航空工程學類和大氣科學系等),讓他們實地測試、驗證科研發展計畫的成果。據吳宗信了解,國立陽明交通大學前瞻火箭研究中心(ARRC)預計在 3~4 月發射火箭,國立成功大學航空太空工程學系則預計在 6~7 月發射,但實際情況還要看學校的整備狀況。

國立陽明交通大學前瞻火箭研究中心(ARRC) 製作的火箭。圖/ARRC 官網

參考資料