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國際太空站上看星軌

陸子鈞
・2013/04/03 ・867字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 495 ・六年級

唐佩帝(Don Pettit)是駐國際太空站(International Space Station, ISS)的太空人,他除了在國際太空站上玩《太空版憤怒鳥》、拍攝簡單的科學實驗影片之外,也替地表上的大家帶回許多太空的影像。

這是他在太空站玩憤怒鳥的短片:

2012年,唐佩帝在遠征31(Expedition 31)任務中,拍攝了一系列慢速曝光的影像,內容除了有星軌,還有地表上的亮光。唐佩帝希望每張照片的曝光時間長達10~15分鐘,但是他所使用的數位相機曝光時間最長僅30秒,所以他先拍攝一連串影像之後再透過軟體合併。一起來欣賞這系列的影像。


以下這部短片介紹唐佩帝如何拍攝這系列的照片:

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唐佩帝跟他的鏡頭們,機身好像是 Nikon D3。(點擊可以看大圖)

資料來源:

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陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。

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數位攝影搖身一變黑科技,CIS 成長無止盡,遇上異常該如何 DEBUG?
宜特科技_96
・2023/06/05 ・4124字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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一個女子用手機在進行自拍
圖/宜特科技

從小時候的底片相機,發展到數位相機,如今手機就能拍出許多高清又漂亮的照片,你知道都是多虧了 CIS 晶片嗎?

本文轉載自宜特小學堂〈CIS晶片遇到異常 求助無門怎麼辦〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

CIS 晶片又稱 CMOS 影像感測器(CMOS Image Sensor),最早是在 1963 年由美國一家半導體公司發明出來的積體電路設計,隨著時代進步,廣泛應用在數位攝影的感光元件中。而人們對攝影鏡頭解析度需求不斷增加,渴望拍出更精美的畫質。

CIS 已從早期數十萬像素,一路朝億級像素邁進,有賴於摩爾定律(Moore’s Law)在半導體微縮製程地演進,使得訊號處理能力顯著提升。如今的 CIS 已經不僅適用於消費型電子產品,在醫療檢測、安防監控領域等應用廣泛,近幾年智慧電車興起,先進駕駛輔助系統(ADAS, Advanced Driver. Assistance Systems)已成為新車的安全標配,未來車用 CIS 的市場更是潛力無窮。

然而,越精密、越高階的 CIS 晶片由於結構比較薄,加上特殊的 3D 堆疊結構,使得研發難度大大提升,當遇到異常(Defect)現象時,想透過分析找出故障的真因也更為困難了。

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本文將帶大家認識三大晶片架構,並以案例說明當 CIS 晶片遇到異常,到底我們可以利用那些工具或手法,成功 DEBUG?

一、認識 CIS 三大晶片架構

現今 CIS 晶片架構,可概分為三大類,(一)前照式(Front Side illumination,簡稱FSI);(二)背照式 (Back Side illumination,簡稱 BSI);(三)堆疊式 CIS(Stacked CIS)

(一)前照式(FSI)CIS

為使 CIS 晶片能符合半導體製程導入量產,最初期的 CIS 晶片為前照式 (Front Side illumination,簡稱 FSI) CIS;其感光路徑係透過晶片表面進行收光,不過,前照式 CIS 在效能上的最大致命傷為感光路徑會因晶片的感光元件上方金屬層干擾,而造成光感應敏度衰減。

(二)背照式(BSI)CIS

為使 CIS 晶片能有較佳的光感應敏度,背照式(Back Side illumination ,簡稱 BSI)CIS 技術應運而生。此類型產品的感光路徑,係由薄化至數微米後晶片背面進行收光,藉此大幅提升光感應能力。

而 BSI CIS 的前段製程與 FSI CIS 類似,主要差別在於後段晶片對接與薄化製程。BSI CIS 的製程是在如同 FSI CIS 一般製程後,會將該 CIS 晶片正面與 Carrier wafer 對接。對接後的晶片再針對 CIS 晶片背面進行 Backside grinding 製程至數微米厚度以再增進收光效率,即完成 BSI CIS。

(三)堆疊式(Stacked)CIS

隨著智慧型手機等消費電子應用的蓬勃發展,人們對於拍攝影像的影像處理功能需求也大幅增加,使製作成本更親民與晶片效能更能有效提升,利用晶圓級堆疊技術,將較成熟製程製作的光感測元件(Sensor Chip)晶片,與由先進製程製作、能提供更強大計算能力的特殊應用 IC(Application Specific Integrated Circuit,簡稱 ASIC)晶片、或是再進一步與記憶體(DRAM)晶片進行晶圓級堆疊後,便可製作出兼具高效能與成本效益的堆疊式 CIS(Stacked CIS)晶片(圖一),也是目前最主流的晶片結構。

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堆疊式(Stacked) CIS晶片示意圖
《圖一》堆疊式(Stacked)CIS 晶片示意圖。圖/宜特科技

二、如何找堆疊式(Stacked)CIS 晶片的異常點(Defect)呢?

介紹完三大類 CIS 架構,我們就來進入本文重點:「如何找到堆疊式(Stacked)CIS 晶片的異常點(Defect)?」

由於這類型的 CIS 晶片結構相對複雜,在進行破壞性分析前,需透過電路專家電路分析或熱點(Hot Spot)故障分析,鎖定目標、縮小範圍在 Stacked CIS 晶片中的其一晶片後,針對可疑的失效點/失效層,進行該 CIS 樣品破壞性分析,方可有效地呈現失效點的失效狀態以進行進一步的預防修正措施。

接著,我們將分享宜特故障分析實驗室,是如何(一)利用電性熱點定位;(二)移除非鎖定目標之晶粒(Die),並針對鎖定目標晶粒(Die)逐層分析;(三)電性量測分析;(四)超音波顯微鏡(SAT)分析等四大分析手法交互應用,進行 Stacked CIS 晶片進行故障分析,順利找到異常點(Defect)。

(一)透過電性熱點定位找故障點(Hot Spot)

當CIS晶片具有高阻值(High Resistance)、短路(Short)、漏電(Leakage)或是功能失效(Function Failure)等電性失效時,可依據不同的電性失效模式,經由直流通電或上測試板通電,並透過選擇適合的電性故障分析(EFA, Electrical Failure Analysis)工具來進行電性定位分析。

設備OBIRCHThermal EMMIInGaAs
偵測目標電晶體/金屬層金屬層/封裝/印刷電路板電晶體/金屬層
失效模式漏電/短路/高阻值漏電/短路/高阻值漏電/短路/開路
各設備適合使用的選擇時機

包括雷射光束電阻異常偵測(Optical Beam Induced Resistance Change,簡稱 OBIRCH)熱輻射異常偵測顯微鏡(Thermal EMMI)(圖二)、砷化鎵銦微光顯微鏡(InGaAs),藉由故障點定位設備找出可能的異常熱點(Hot Spot)位置,以利後續的物性故障(PFA, Physical Failure Analysis)分析。

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透過Thermal EMMI找到電性失效的故障點位置
《圖二》透過 Thermal EMMI 找到電性失效的故障點位置。圖/宜特科技

(二)移除非鎖定目標之晶粒,並針對鎖定目標晶粒逐層分析

接著,依照上述電性分析縮小可能的異常範圍至光感測元件晶片、ASIC 或記憶體晶片區後,根據 Stacked CIS 晶片堆疊的結構特性,需先將其一側的矽基材移除,方可進行逐層去除(Layer by layer),或層層檢查。

再者,透過特殊分析手法,移除不需保留的晶粒結構,進而露出目標晶粒之最上層金屬層(圖三)。接著,透過逐層去除(Layer by layer),最終在金屬層第一層(Metal 1)找到燒毀現象的異常點(defect) (圖四)。

搭配特殊手法,將CIS待測樣品不需保留之晶粒部分,完整移除
《圖三》搭配特殊手法,將 CIS 待測樣品不需保留之晶粒部分,完整移除。圖/宜特科技
對照Hot Spot分析範圍,進行鎖定目標晶粒進行逐層去除,發現燒毀現象
《圖四》對照Hot Spot分析範圍,進行鎖定目標晶粒進行逐層去除,發現燒毀現象。圖/宜特科技

(三)電性量測分析:導電性原子力顯微鏡(C-AFM, Conductive Atomic Force Microscopy)與奈米探針系統(Nano-prober)的應用

當逐層去除(Layer by Layer)過程當中,除利用電子顯微鏡(SEM) 於故障點區域進行 VC(Voltage Contrast)的電性確認與金屬導線型態觀察外,亦可搭配導電原子力顯微鏡(Conductive Atomic Force Microscopy,簡稱C-AFM)快速掃描該異常區域,以獲得該區域電流分布圖(Current map)(圖五),並量測該接點對矽基板(Si Substrate)的電性表現,進而確認該區域是否有漏電 / 開路等電性異常問題。

C-AFM異常分析結果圖
《圖五 (左)》C-AFM 異常分析結果圖。圖五 (左): 外加正電壓 (+1V) 時的 Current map 異常電性發生;
《圖五 (右)》外加負電壓 (-1V) 時的 Current map 異常電性發生 (黃圈處)。圖/宜特科技

在完成C-AFM分析後,若有相關疑似異常路徑需要進一步進行電性量測與定位,可使用奈米探針電性量測(Nano-Prober)進行更精準的異常點定位分析,包括電子束感應電流(EBIC , Electron Beam Induced Current)、電子束吸收電流(EBAC, Electron Beam Absorbed Current)、與電子束感應阻抗偵測(EBIRCH , Electron Beam Induced Resistance Change)等定位法。而Nano-Prober亦可針對電晶體進行電性量測,如Vt、 IdVg、IdVd等基本參數獲取(圖六)。

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當透過上述分析手法精準找到異常點後,亦可再透過雙束聚焦離子束(Dual-beam FIB,簡稱DB-FIB)或是穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy,簡稱TEM)來對異常點進行結構確認,以釐清失效原因(圖七)。

EBIC分析結果圖
《圖六》EBIC分析結果圖。圖/宜特科技
TEM分析結果圖
《圖七》TEM分析結果圖。圖/宜特科技

(四)超音波顯微鏡(Scanning Acoustic Tomography,簡稱SAT)分析:於背照式(BSI)/堆疊式(Stacked)CIS晶圓對接製程的應用

超音波顯微鏡(SAT)

超音波顯微鏡(SAT)為藉由超音波於不同密度材料反射速率及回傳能量不同的特性來進行分析,當超音波遇到不同材料的接合介面時,訊號會部分反射及部分穿透,但當超音波遇到空氣(空隙)介面時,訊號則會 100% 反射,機台就會接收這些訊號組成影像。
超音波顯微鏡(SAT)原理圖
超音波顯微鏡(SAT)原理圖。圖/宜特科技

在背照式(BSI)與堆疊式(Stacked)CIS 製程中晶圓與晶圓對接(bonding)製程中,SAT 可作為偵測晶圓與晶圓之間接合不良造成存在空隙的重要利器(圖八)。

圖八: 透過超音波顯微鏡(SAT),找到晶圓與晶圓對接(bonding)之鍵合空隙位置
《圖八》透過超音波顯微鏡(SAT),找到晶圓與晶圓對接(bonding)之鍵合空隙位置。圖/宜特科技

半導體堆疊技術的蓬勃發展,加上人們對影像感測器在消費性電子、車用電子、安控系統等應用,功能需求大幅度增加,CIS 未來將繼續進化,無論是晶圓級對接的製程穩定度分析,或是堆疊式(Stacked)CIS 故障分析,都可以透過宜特實驗室豐富的分析手法,與一站式整合服務精準地分析、加速產品開發、改善產品品質。

宜特科技_96
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我們了解你想要的不只是服務,而是一個更好的自己:) iST宜特自1994年起,以專業獨家技術,為電子產業的上中下游客戶, 提供故障分析、可靠度實驗、材料分析和訊號測試之第三方公正實驗室

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抓住光的男人:達蓋爾與他的攝影術——《資訊大歷史》
azothbooks_96
・2022/07/03 ・3530字 ・閱讀時間約 7 分鐘

路易.雅克.馬克.達蓋爾

路易.雅克.馬克.達蓋爾(Louis-Jacques-Mandé Daguerre),1787 年 11 月 18 日−1851 年 7 月 1 日。

記錄下真實的影像,將彼時的美好場景長久留存——攝影技術,載著人類幾千年來如夢幻般的希冀越走越遠,一步步幫我們達成所願。

    

達蓋爾出生於法國,學過建築、戲劇設計和全景繪畫,在舞台幻境製作領域聲譽卓著。 1839 年,他宣布達蓋爾攝影法獲得了圓滿成功,從此,作為攝影術的最後一個發明人,他便以銀版攝影法發明者的身份為後人所知。

「我抓住了光,我捕捉到了它的飛行」

一九四五年八月十四日傍晚,日本無條件投降的消息傳到美國,整個美國都沸騰了,紐約的人們紛紛湧向時代廣場慶賀戰爭的結束。一位海軍士兵難以抑制自己喜悅的心情,摟住路過的一位護士小姐就親吻起來。

這個場景被當時在場的兩位記者捕捉到了,他們用手邊的徠卡相機記錄下這一令人難忘的歷史性時刻。一張照片的表達力勝過千言萬語。在人類付出了近一億人的生命代價之後,和平終於再次回到了這個世界上,這種發自內心的喜悅是難以用文字形容的。

時過境遷,今天我們大多數人雖然沒有經歷過那場戰爭,但依然能從這些精彩的照片中深刻地體會到當時人們狂喜的心情。

世界上的任何事情,只要發生過,就會留下或多或少的痕跡。對於這些痕跡的記錄,以前只有筆。雖然也有繪畫,但是繪畫無法在瞬間完成,因此很多描繪歷史性大事件的名畫,都是畫家後來參考文字記載,然後憑藉著想像而創作的。那些畫作再現了當時人們所能夠看到的一些視覺資訊,畫家也難免會按照自我意願對資訊內容進行添加或者刪改。

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比如,反映美國獨立戰爭最著名的油畫《華盛頓橫渡特拉華河》,就有多處和歷史事實不一致。比如,華盛頓身邊的門羅(美國第五任總統)當時根本就不在船上,甚至畫作中還出現了當時並不存在的星條旗。這些都是畫家在半個多世紀後憑自己的想像加進去的,這種人為因素,讓繪畫很難做到真實地記錄歷史事實。

延伸閱讀:從此有了攝影:達蓋爾誕辰|科學史上的今天:11/18

《華盛頓橫渡特拉華河》由德國畫家埃瑪紐埃爾·洛伊茨(Emanuel Leutze)於1851年所創作,描繪了美國獨立戰爭。圖/Wikipedia

要做到對真實畫面的記錄,就需要發明一種儀器來自動進行記錄,而不是人們主觀地進行繪製,這種儀器就是我們今天所說的照相機。當然,要想得到照片,光有照相機是遠遠不夠的,還需要一整套工藝將照片處理沖洗出來。這一整套的工藝流程,被稱為攝影術(照相術)。

今天,法國科學院確認的攝影術發明人是法國藝術家路易.雅克.馬克.達蓋爾(Louis-Jacques-Mandé Daguerre)。和很多重大發明的榮譽給予了最後一個發明人一樣,達蓋爾是攝影術的最後一個發明人,而非第一個。在他之前另一名法國人涅普斯(Joseph Nicéphore Nièpce)已經在一八二六年拍攝出一張永久性的照片,但是涅普斯使用的裝置與後續處理技術和後來大家普遍使用的攝影術,沒有什麼關係。

再往前,針孔成像的原理在中國古代的《墨子》中就有了相關記載,但是我們顯然無法把發明攝影術的功勞給予墨子。達蓋爾和前人不同的是,他不是設法得到一張照片,而是發明了一整套設備和一系列工藝流程,這就使得我們能夠通過攝影術記錄下真實的場景資訊,並且能夠以照片的形式完美地呈現出來。

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世界上第一張照片《在萊斯格拉的窗外景色》,由涅普斯拍攝。圖/Wikipedia

達蓋爾發明攝影術,並不僅僅為了記錄資訊,而是為了能夠取代當時十分流行的肖像油畫。達蓋爾本人是一位非常著名的建築設計師和全景畫家,他發明了建築繪圖的全景透視法,也就是從兩個(或多個)視角來觀察一個三維的物件(比如一棟大樓),然後將它畫在同一個畫面中。

這和布魯內萊斯基所發明的單點透視法不同。當時畫一幅油畫要花很長時間,如果要在戶外繪畫,更是一件十分困難和艱苦的事情,因為人們還沒有發明出牙膏管裝的油畫顏料,一罐罐的顏料既不好攜帶,也不便於保存。

因此,達蓋爾想,如果能夠發明一種方法自動將所看到的圖像「畫」下來,這樣可以省去一筆一筆畫油畫的麻煩。

當得知涅普斯用很複雜的方法得到了一張可以永久保存的照片後,達蓋爾就找到他決定一起合作研製攝影術。涅普斯則看中了達蓋爾在繪畫界的巨大影響力,作為出版商的他希望能夠借此賣出更多的畫冊,於是十分爽快地答應了。雖然一開始兩個人是各取所需,目的不同,但是因為目標一致,合作也算順暢。

然而不幸的是,當時已經六十四歲高齡的涅普斯沒幾年就去世了,而他們在攝影術方面的研究才剛剛開始。接下來,達蓋爾只好自己一個人繼續摸索研究。

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涅普斯最早是用瀝青作為感光材料。因為瀝青在強光的照耀下會逐漸變硬,這樣就能夠把攝影物件的輪廓迅速地描下來,但這樣照相至少要在陽光下曝光幾個小時甚至長達幾天。

一個偶然的機會,達蓋爾瞭解到一百多年前化學家所發現的銀鹽具有感光的特點,將銀鍍在銅版上,然後在碘蒸氣中形成一層碘化銀,碘化銀在感光後就會在銅版上留下影像。這和後來膠捲上塗溴化銀的原理是一樣的。達蓋爾用這種方法將原來涅普斯需要幾個小時才能完成的曝光過程縮短到了幾十分鐘,後來又縮短到幾分鐘。

一八三八年末(或者一八三九年初),達蓋爾將他的照相機擺在自己家的視窗,拍了一張街景照片——《坦普爾大街街景》。

《坦普爾大街街景》。圖/漫遊者文化提供

這張照片拍攝得非常清晰。達蓋爾在處理完照片後,極其興奮地對人們說:「我抓住了光,我捕捉到了它的飛行!」他的這個說法非常形象化,這是人類第一次發明實用的、以圖片方式記錄現實景象的技術。

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在這張照片中,這條大道顯得非常寂靜,實際上達蓋爾拍照時,大道上車水馬龍,人來人往,熙熙攘攘,非常繁華。照片之所以沒有能夠記錄下這些人和車輛是因為曝光的時間長達十分鐘之久,移動的人和車輛只能留下淡淡的陰影。當時摩斯看到照片中的巴黎街頭居然沒有人,感到非常吃驚。

今天的攝影家依然採用這種長時間曝光的手法來濾除鬧市中過多的閒人。不過如果你仔細觀察這張照片,就會在左下角發現一個擦皮鞋的人,由於他一直站在那裡不動,因此被拍了進去。這個人成為被攝影術記錄下來的第一個人。

從一七一七年德國人舒爾策(Johann Heinrich Schulze)發現銀鹽的感光效果,到達蓋爾用這種原理記錄下影像,中間經過了一個多世紀的時間。為什麼在這麼長的時間裡沒有人想到用銀鹽感光的性質來記錄影像?

因為這項技術雖然原理並不複雜,但是要變成一個可以記錄影像的工藝過程卻不是那麼簡單。銀鹽感光背後的原因是它們在光照下會分解,其中的銀會以細微的粉末狀出現,這就是人們在感光銅版上看到的黑色部分。但是這些銀粉一碰就掉,不可能形成一張能永久保存的照片。而且由於被感光部分是黑色的,未被感光的部分是白色的,和我們眼睛所看到的景物亮度正好相反(它們也被稱為負片),所以我們難以直接欣賞,還需要想辦法把它還原成我們肉眼所習慣看到的照片。

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這個記錄和還原圖像的過程有很多環節而且非常複雜。

達蓋爾最為了不起的地方,就在於他不只簡單發現了一種記錄圖像的現象,或者一個照相機,而是發明了一整套記錄圖像資訊的工藝過程。特別是在成像之後需要用水銀和食鹽在銅版底片上進行顯影和定影。這個過程有很多複雜的技術難題,都被達蓋爾成功地解決了。

今天「銀版攝影術」(又稱為達蓋爾銀版法)一詞,就是以他的名字命名的。

延伸閱讀:第四種元素:銀 —《改變世界的七種元素》

——本文摘自《資訊大歷史:人類如何消除對未知的不確定》,2022 年 6 月,漫遊者文化,未經同意請勿轉載。

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漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。

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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

  • 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。

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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。

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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。

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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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