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五、四、三、二、一,火箭離開地球表面的發射倒數計時,工作人員要通過哪些考驗?

活躍星系核_96
・2019/07/02 ・2983字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

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
2019.06.25下午11:00於美國佛羅里達州

離開地球表面,就只能靠火箭

想要離開地球表面,通常是靠著作用力與反作用力定律的方法來實現,最簡單就是腳用力推地面跳起來,人就可以短暫離開地球表面。如果能持續不斷對外出力,靠著反作用力而持續上升,這就是火箭

火箭因為燃料與助燃劑的燃燒所產生大量的廢氣由底部噴嘴高速噴出,強力的反作用力不斷的推升火箭,到預定的太空軌道運行或者到達其他星球。因此,執行太空任務的人造衛星,或是太空船都需要搭乘運載火箭到達目的地。換言之,人造衛星與太空船就是火箭的乘客,或稱之為酬載

圖/搭載六枚福衛七號的獵鷹重型火箭在美國時間6月25日上午2點30分發射升空。(蔡欣憲拍攝)
搭載六枚福衛七號的獵鷹重型火箭在美國時間6月25日上午2點30分發射升空。攝影/蔡欣憲

倒數計時好焦慮!這些是火箭的發射程序

火箭要離開時,不能像汽車一樣說走就走,要完成既定的程序,才能點火啟動火箭發射升空。因為火箭一旦點火升空,就不能回頭或是說停就停。火箭發射前,最耳熟能詳是倒數以秒計時 10, 9, 8, 7……, 3, 2, 1, 發射。

這倒數計時充分描寫了預備發射前焦慮的心情,典故其實來自於 1929 年由 Fritz Lang 執導的德國科幻電影「月球上的女人」(Frau imMond),想要增加發射時的戲劇張力而設計的情節。後來這一個情節引起火箭專家的興趣,認為十分科學,簡單、準確且清楚表達了離發射的時間逐漸減少,可以讓工作人員集中注意力,依照事先設定的時間表執行倒數程序。所以這個發射倒數程序就被廣泛的應用了。例如:發射倒數第 10 天就使用 L-10d,發射前 1 小時 30 分就使用 T-1h30m。

發射倒數的程序通常有那些呢?主要可分成以下幾個主要步驟:

  1. 點名:逐一清點所有參與發射倒數程序的工作人員是否就位準備,通常包括有:任務主持人、任務指揮官、發射指揮官、火箭發射程序控制人員、衛星計畫主持人、衛星指揮官、衛星控制人員、發射場操作安全指揮官、天氣預報分析人員、火箭與酬載地面控制站人員等等。
  2. 確認火箭狀況:確認火箭發射控制中心可以接收訊號與指令控制火箭通訊、推進、燃料充填等系統。
  3. 確認衛星狀況:確認衛星發射控制中心可以接收衛星訊號與指令控制衛星,同時進行衛星充電,確保發射前衛星電池滿充。
  4. 確認天氣狀況:持續監視天氣狀況是否符合發射條件
  5. 衛星停止充電:通常在火箭填充燃料之前或啟動自動發射程序之前會停止對衛星通電,並確認衛星是否達可發射狀態。
  6. 確認衛星地面控制站狀況:持續確認火箭升空時訊號接收站與衛星地面接收控制站是否準備就緒。
  7. 確認發射場狀況:確認發射場安全維持是否達預定計畫規範。
  8. 火箭開始填充燃料:使用液態燃料的火箭,在確認以上條件達發射準備之後,開始充填燃料。例如:SpaceX 獵鷹系列火箭填充的燃料是液態氧與高純度煤油。
  9. 啟動自動程序:確認火箭燃料填充完成,再次確認所有發射準備都符合預期之後,通常在發射前一分鐘啟動自動發射程序。

達到發射準備時,發射指揮官會依序呼叫各單位,回應是否完成程序 (GO/NO-GO),各單位達發射準備時就會回答「GO」,全部單位都回答 GO 時,火箭就會啟動自動發射程序

圖/美國甘迺迪太空中心展示阿波羅登月任務的農神五號發射控制室。(陳維鈞拍攝)
美國甘迺迪太空中心展示阿波羅登月任務的農神五號發射控制室。攝影/陳維鈞拍攝

任務窗口與備用發射日,火箭發射的障礙應對方案

火箭發射程序緊湊而且務實,但是如果發生未預期的狀況,怎麼辦?通常任務的發射時間並非一個固定時間,根據任務需求會設定發射窗口。例如:台灣最近發射的福衛七號的發射窗口為 4 個小時;而飛往太空站的運補火箭獵鷹九號因為要登上在軌道快速運行的太空站,所以發射窗口就只有 1 秒。

圖/獵鷹九號發射CRS-17國際太空站運補Dragon太空船,圖中明顯可看出第一節火箭脫離飛回發射場,以及第二節火箭點火。(陳維鈞拍攝)
獵鷹九號發射 CRS-17 國際太空站運補 Dragon 太空船,圖中明顯可看出第一節火箭脫離飛回發射場,以及第二節火箭點火。攝影/陳維鈞拍攝

發射窗口的設定可以給在進行發射倒數程序有時間排除障礙,障礙可能來自火箭、衛星或地面站的問題,然而最大的變因是天候狀況,打雷與強風都可能延遲或取消當天發射。所以火箭發射除了有發射窗口之外,通常也會設定第二天為備用發射日。

五月份獵鷹九號執行了兩項發射任務,分別是 CRS-17 太空站運補任務預計在 5 月 3 日發射,與 SpaceX 自家衛星 Starlink 發射預計在 5 月 16 日發射。但是都因為天候因素,分別延遲到 5 月 4 日與 5 月 23 日發射。

發射前的演練:除了執行程序還考臨場狀況題

為了讓參與火箭發射倒數的所有單位都能熟悉發射倒數程序的執行,通常都會在事前安排演練。以送六枚福衛七號到太空軌道的 STP-2 (Space Test Program-2) 發射任務為例,在發射前總共舉行了四次演練,分別是:第一次整合團隊練習 (Integrated Crew Excise #1, ICE#1)、第二次整合團隊練習 (ICE#2)、執行靜態點火測試 (Static Fire Test) 前的倒數程序、以及任務裝檢演習 (Mission Dress Rehearsal)。

除了依真正的時序演練發射倒數程序步驟之外,還會有考官出各種狀況題,考驗各單位緊急應變能力,考題稱之為綠卡 (Green Card)。包括計畫主持人、衛星指揮官、以及電機總工程師的福衛七號發射團隊總共接到了以下四種狀況題。

  1. 衛星充電異常(第一次):衛星發射控制室出現了無法對火箭上的衛星充電,發射指揮官詢問目前衛星電池電壓是否達發射條件。由於充電控制器異常無法讀取電壓,但是發射台底下的充電控制器仍可以由監視器看到衛星電池電壓,而且電壓達發射條件,因此可以繼續進行發射程序。
  2. 衛星充電異常(第二次):很重要,所以考兩次,這一次是原因很簡單,就是internet的插頭掉了,重新插回就可以解決問題。
  3. 台灣衛星地面控制站失聯:對講機的頻道、控制室的電話與手機都不通(心理的OS:這是甚麼情形?)。經檢查之後,發現控制室的網路是通的,所以可以用 line建立語音通訊解決問題。
  4. 人員失去執行能力:這一題很特別,只見演練時計畫主持人與電機總工程師接到 Green Card 之後,紛紛離開位置。原來考題設定是計畫主持人身體不舒服,身為丈夫的電機總工程師必須照顧她(真的是計畫主持人的丈夫),所以都不能執行任務。身為衛星指揮官的我,得馬上找代理電機總工程師到現場執行任務,並代理計畫主持人執行發射倒數任務。本題考驗如果現場有人不能執行任務,則代理人均有能力完成倒數任務。
圖/搭載六枚福衛七號的獵鷹重型火箭在美國佛州甘迺迪太空中心SLC-39A發射台準備就緒。(陳維鈞拍攝)
搭載六枚福衛七號的獵鷹重型火箭在美國佛州甘迺迪太空中心SLC-39A發射台準備就緒。攝影/陳維鈞

多次練習,就只為了自助天助發射順利

發射倒數程序需要步步嚴謹,事前需要經歷多次演練,並且考驗緊急應變能力。充分的演練讓參與發射的所有單位熟練每一個程序步驟;應變的考驗可以讓每一位成員臨危不亂做出正確判斷排除障礙;才能有自助人助天也助的發射保證。

圖/福衛五號在2017年8月成功發射升空後,衛星發射團隊在衛星發射控制中心合影。(國家太空中心提供)
福衛五號在2017年8月成功發射升空後,衛星發射團隊在衛星發射控制中心合影。圖/國家太空中心提供

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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
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