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太空科技大突破!專訪臺灣學界自製的大型混合式探空火箭【火箭篇】

馥林文化_96
・2014/12/30 ・6581字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

文/劉珈均 攝影/劉珈均、邵意翔

協助取材/ARRC團隊、美商國家儀器(NI)

前言

本刊2014 年9 月號中詳盡記載了前瞻火箭研究中心(ARRC) 的團隊構成與發展過程,本回「火箭篇」更進一步,詳細介紹今年3 月份成功發射的HTTP-3S !

火箭問世尚不足一世紀,已成為人類執行大氣研究、太空探索任務不可或缺的配備。火箭由上而下大致分為鼻錐、航電系統、壓力容器(燃料儲槽)與推進段,任務成敗端視各個次系統是否順利分工合作。HTTP-3S 為國內學界研發至今最大型的混合式探空火箭,此次發射目的主要為了測試各項系統於高速飛行時的功能,同時做為接下來研發雙節式大型探空火箭的演練。在火箭成功衝向天際這短短幾分鐘的背後,是數不清的摸索、學習、開會討論、模擬、修改、測試、再修改,是跨校團隊無盡心血與經驗累積的成果。在本篇中,筆者將一步步帶您解析HTTP-3S 火箭如何組成,同時介紹ARRC 火箭的演變。

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HTTP-3S 結構圖
HTTP-3S 火箭結構圖(ARRC 小編特別繪製)。

探測任務:鼻錐與酬載

火箭前端尖頭部分稱為鼻錐,是放置酬載(payload,也就是執行探測任務的設備或實驗儀器)的地方。後來加入 ARRC 的中央大學團隊專司大氣研究,在HTTP-3S火箭上多增加了一個酬載。

中央大學太空科學研究所助理教授張起維率領學生自製「罐頭衛星(CanSat)」,從去年底開始與ARRC合作,所開發的「阿亮一號」曾隨交大的小型火箭 APPL-7II 升空測試。此次的「阿亮二號」負責測試高空訊號收發,內建的 GPS 也用來協助火箭回收作業。罐頭衛星外型迷你,在27公分高、直徑21公分的挖空保麗龍圓柱中,放置了一個裝著Arduino控制器的可樂罐,防止與火箭內部其他儀器相互干擾,另有幾組天線放置在可樂罐旁邊。中央大學成員邱奕中說,以後會試著把衛星射出火箭,探測平流層以上的高空資訊。

交大成員將中央大學的罐頭衛星「阿亮二號」裝入火箭鼻錐。衛星可測試高空訊號收發,內建的GPS 也幫助火箭回收作業。
交大成員將中央大學的罐頭衛星「阿亮二號」裝入火箭鼻錐。衛星可測試高空訊號收發,內建的GPS 也幫助火箭回收作業。

控制核心:航電系統

航電系統是控制火箭飛行的「重點部位」,把物品(酬載)載上天的過程是否順利、有沒有偏移,是航電系統關注的目標。航電系統是由成功大學工程科學系副教授何明字帶領的團隊負責,並由交大的陳宗麟老師協助感測器與火箭系統整合。

成大實驗室成員高碩聰就讀博一時加入團隊,自HTTP-1 時期便開始參與。他說,目前航電系統的任務很簡單:回報火箭飛行高度、何時該開啟降落傘、關閉閥門等。航電控制的理想情況是讓火箭能依不同任務執行不同的飛行樣態,但目前還沒有達到該航控目標,不清楚火箭發射後會怎麼飛,所以模擬必須精準,否則無法回收火箭。

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火箭的航電系統大多是將一整臺電腦(PC或工業電腦)放在火箭上,為避免指令錯誤或電腦當機,常會多放幾臺以比對各自指令、聯合執行,或做為備份。不過HTTP-3S不需要用到PC,而是採用單晶片,將程式直接寫在晶片裡,這種簡單的控制器不需灌入作業系統,高碩聰說:「PC的作業系統一定是裝別人的核心,能掌控的東西十分有限,除錯時變得很複雜。」單晶片的體積不但小很多,容易回溯出錯的地方,也可以輕易增加備份或更新,因為架構全利用一個個「node」組成。node是指一個節點,可以把它想成一個電腦或控制器,用在飛行電腦或控制一個閥門,若火箭變成兩節、三節,需要兩三個閥門依序開關,此時再增加一個node即可。目前航電系統分成三層功能各異的次要系統,一個node控制火箭飛行、一個控制閥門開啟、一個專門蒐集資料。

剛開始設計時,為了放進兩套系統,使用了兩塊控制晶片,但晶片之間的溝通線路複雜又容易出錯,到第二版的火箭才換成CANbus(控制器區域網路,為一種通訊協定,允許網路上微控制器和裝置不經由主機控制直接通訊),之後便維持此架構,並依任務需求把架構圖擴大。雙節火箭至少會用到四個node。

火箭上有許多感測器,如經度、緯度、高度、氣壓,以及一些偵測火箭飛行對結構影響、火箭控制會用到的感測器,資料量龐大。在PC中有軟體可處理,但只用node寫程式會很麻煩,團隊便直接使用NI的LabVIEW系統,其讀取感測器資料後,經運算整合再將最重要的資訊傳給團隊。

通訊系統常影響航電,天線功率約7瓦,因為功率大,容易影響航電,負責通訊的北科大團隊與成大團隊常常得一起密集測試,高碩聰回想以前研發的日子,兩團隊在各自的實驗室測試再如何順暢,整合時一定會發生問題!火箭結構甚至也影響航電,原本的火箭外殼是玻璃纖維,HTTP-2β任務時,火箭一切測試都完成後,將火箭纏繞上碳纖維,讓外殼更堅固。殊不知電一開,航電系統就熄了,原以為當機而已,結果整個航電系統燒毀,後來查出原因是碳纖維會導電,電流短路導回航電系統,將航電破壞殆盡,高碩聰說:「為了這問題我們又搞了一個月吧,當時已經做得非常有信心,覺得OK了,結果碳纖維套上去燒掉,聽到又要拆都快哭了!」有了那次經驗,航電段的外殼便維持玻璃纖維。

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高碩聰表示:「航電系統目前負責的工作就是讓火箭能順利的飛上去,還沒有做到飛行時的控制,希望之後能完成這個目標。」未來HTTP的航電系統會分為兩大部分,一個負責各感測器的資料處理,另一個則是控制單元。火箭飛行的時候,飛航電腦會同時檢測路徑是否符合軌道,不符合預定軌跡便會以控制噴嘴等設備即時修正,做到真正的控制。

成員將鼻錐與航電系統段相接。
成員將鼻錐與航電系統段相接。

支撐火箭的靠山:發射架

IMG_4169 (2)
兩個屏科大成員爬上六公尺高的發射架,檢查安全設備與定位裝置。

發射架是發射火箭時要最先搞定的工作。屏科大學生們比其他團隊早了四天到試射地點,焊接、組裝樣樣來。現場總有許多突發狀況,為避免強風或其他因素導致發射架升起未達指定位置,兩個學生扣上安全索,爬上六公尺高的發射架,檢查安全設備與定位裝置。

回顧最初的HTTP-1火箭,因尺寸小,發射架升起只靠人工舉起;但隨著火箭不斷的改良,HTTP-3S火箭比前兩代火箭重了三倍,得重新量身打造發射架。

HTTP-3S 發射架的結構剛性與強度是依照預計明年發射的HTTP-3雙節火箭而建造,主導設計的是屏東科技大學團隊成員陳庭維和黃詮峻。屏科大團隊原負責火箭結構、壓力容器等,HTTP-3S 任務首次將發射架也交給他們處理。

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一開始陳庭維在網路上搜尋各式各樣的發射架資料與圖片,先模仿再修改。最後設計了三腳支撐式的發射架,中間升起部分採用油壓機構升降,概念設計完,便建立電腦圖檔、分析機構動作與強度等一連串測試,結果相當順利,也符合想像的作動方式。挑戰來自最終的實作。

有位李總經理自HTTP-1任務起便熱心幫忙,陳庭維帶著工程圖與他討論,李總指出許多錯誤與實務經驗,陳庭維北上前往李總公司討論發射架設計問題的次數多到記不清,繪製的工程圖超過500張,陳庭維轉述李總反應:「你們老師敢把這麼大的案子交給一個學生,真的很大膽!」甚至笑陳庭維也傻傻的一個人接下來了,他認為,這在外面別說要單一個全職的工程師負責,連一整個團隊來負責,他都會感到緊張。後來黃詮峻接力設計出雙塔式衍架結構。

黃銓峻一樣從CAD 開始設計CAE的結構強度分析,繪製、修改工程圖的過程彷彿永無止境,接著還要克服場地問題、升降機構以及主結構,最大難題是升降機構電控部分,因團隊對機構電控是外行,便請外面的廠商設計電控系統。黃銓峻與廠商不斷溝通,走過繪製、修改工程圖的無限迴圈,到了最後獨自操作發射架升降的步驟,這是實現設計最重要的一環,卻又發生升上去但未達高度、上去了降不下來等問題,成員頂著大風爬到六米高的桁架,陳庭維說:「那種站高處,風一直迎面想把你拍打下去的感覺真的十分嚇人。但是我們都知道現在不是驚嚇的時候,要趕緊找出問題,最後發現,原來是焊接加工上的誤差以及熱變形所造成的尺寸偏差。一點點突起塊就讓整個發射架下不來!」

為桁架漆上白色(與火箭的鮮橘色相搭配)後,終告完工!發射前,桁架進行了最終演練,每個環節都小心翼翼地再三確認與測試,當火箭上架就定位,成員依已演練了50次以上的SOP,慢慢將發射架升起。當天正好為滿月,火箭升起的姿態像要前往月亮一樣。「雖然發射架舉升至預計位置不過約10分鐘,但是這十分鐘對於我們來說像是10年。」

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ARRC 成員將火箭架上桁架,隨後桁架與火箭測試升降。
ARRC 成員將火箭架上桁架,隨後桁架與火箭測試升降。
火箭桁架升起。
火箭桁架升起。

動力來源:壓力容器(氧化劑高壓儲存槽)

壓力容器攸關火箭是否能穩定搭載燃料進行飛行任務,此工作由屏東科技大學團隊負責,帶領該團隊的胡惠文教授在美國普渡大學正是專攻複合材料研究,不過團隊由理論過渡到實作,依然經過了漫長時間的摸索。複合材料成本及技術門檻都很高,對「初學者」負擔很大,最初設計的笑氣高壓儲存槽(一般稱為壓力容器,pressure tank)是採用重量較輕且強度不遜鋼材的鋁合金做為壓力容器的主要材料。

然而,鋁合金銲接是一大挑戰,因其銲接後強度會降低一半以上,曾因此發生壓力容器強度不夠,灌氣程序失敗。團隊不得不導入複合材料,在鋁合金內膽上貼上玻璃纖維。HTTP-1成功發射後, 團隊進一步研究複合材料的材料與製程,材料從玻璃纖維轉而更高階的碳纖維,製程由手積層轉成更為複雜的機械纏繞。

然而, 下一次的HTTP-2α並未追隨HTTP-1 的腳步直衝天際,團隊無法驗證更換材料與製程後的壓力容器,是否可穩定搭載燃料進行飛行任務。因壓力容器的結構耐壓性遲遲達不到預期等級,接下來的任務延後。直至HTTP-2β成功發射,有了成功經驗,3S的製程才變得相對從容,現在內膽為相對好焊接的不鏽鋼,也避免熱漲冷縮造成纖維脫層。

儲存槽不能受壓太久,灌氣的時程須由火箭發射時間往前回推。HTTP-3S於3月24日清晨發射,灌氧化氮的時機就定在前一天傍晚。約十位交大團隊的成員留在發射場將98公斤的笑氣灌入火箭儲存槽。灌氣時須退至場邊,並透過電腦以攝影機監看鋼瓶的重量。當鋼瓶重量減輕20公斤後,就得將鋼瓶從吊車卸下換上新的,如此換了5瓶,灌氣程序耗費兩個小時,就ARRC的經驗算快。晚上大家分組輪流到發射場守夜,等候隔天清晨發射作業。

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正在為火箭換裝笑氣的鋼瓶,要灌入將近100 公斤的笑氣。成員退到離火箭二三十公尺遠的空地邊界,監看螢幕轉播灌氣過程與鋼瓶重量。
成員正在為火箭換裝笑氣的鋼瓶,要灌入將近100公斤的笑氣。
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成員退到離火箭二三十公尺遠的空地邊界,監看螢幕轉播灌氣過程與鋼瓶重量。

與火箭「對話」:通訊系統

一次次任務會訂定火箭飛行高度的目標,這就牽涉到通訊,沒有訊號回傳就無法確定火箭高度。高碩聰笑說,火箭若訊號不好或失去通訊,成大和北科大團隊就會「吵架」,互開玩笑:「我們的電腦都活著,都是你們的通訊沒有把訊號打下來,害我們不知道資料。」而北科大團隊也「不甘示弱」:「我們天線好好的,是你們電腦當機,不把資料打下來我有什麼辦法?」到目前為止,出狀況時仍無法完全確定是電腦或天線的問題,只能概略猜測。

通訊系統由北科大電子工程系教授林信標帶領團隊設計研發,主要負責的學生為碩二學生劉訓彰。無線電看不到摸不著,得從一次次實驗歸納各個情境下通訊的表現結果,在火箭這種高速移動的物體上通訊與地面的長距離測試狀況又有所不同,劉訓彰說:「在地面上最接近的東西是高鐵吧,但又不太可能把這系統掛在高鐵車廂外面,趁它行車時測試,所以得不斷模擬。」

ARRC 團隊研製了2.4GHz 與434MHz 的雙頻段收發系統, 並自製火箭端的兩頻段 PA 與天線, 可達數百公里的傳輸距離。團隊也打造出「分散式連網地面接收系統」,在地面上離火箭發射點約50公尺處的涼亭設有一通訊站、安檢所的頂樓與地面各一站、試射處直線距離1公里與4公里處左右各有一站,由五個點同時接收火箭傳下的訊息,比對通訊狀況。同時,也將重要資訊即時傳輸到遠端控制中心的雲端平臺。

隨著一次次任務,團隊不斷改良錯誤率、通訊品質,在正式發射HTTP-3S 時,通訊系統的表現不負眾望。火箭全程飛行過程中,所有飛行電腦與導航感測資料均順利下傳至分散式連網地面接收系統,堪稱最順利的一次。劉訓彰回想起發射HTTP-3S這段過程仍「餘悸」猶存:「要發射時我幾乎看到人生跑馬燈!想說要是沒成功收到訊號一定又要被罵得很兇,心情很緊繃,接收很順利心裡反而異常平靜,喔,資料有收到,很好。」

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發射之後:Yo-yo減滾系統與降落傘回收系統

火箭破空後會自然旋轉以保持穩定,但轉速太快會讓火箭上儀器無法運作,太空中心提供的 Yo-yo 減滾儀器(despin device)是由 ARRC 的屏科大團隊研發。減滾儀器將火箭由每秒2轉減至每秒0.5轉,讓火箭保持穩定的同時維持正常通訊。

發射後要讓火箭順利回收, 降落傘系統是關鍵。它能讓火箭以安全速度降落,太快可能損傷火箭本體,太慢則可能讓火箭在降落過程中飄太遠(因無法控制降落方向,只能任其隨風飄盪)。

為了降低重量,傘繩和布料通常使用目前最輕薄且強度最高的尼龍材質,尼龍布為永樂市場購入,夠細又強度高的理想繩子則是在釣魚店找到。負責降落傘系統的交大團隊成員魏世昕自力縫製降落傘,目前已製作了十頂以上,只要成功回收就能重複使用。魏世昕表示,比較麻煩的是系統設計,要如何依火箭速度與高度,設計不同開傘程序,讓火箭安穩降落,是一門很大的學問。若是開傘時速度過快,會造成極大的瞬間拉力,不僅可能損壞降落傘與火箭,甚至會造成傘繩斷裂、火箭直接墜落,所以得設計一系列程序來進行。

為讓測試符合真實情境,降落傘始終是APPL火箭飛行測試項目之一,但在這之前還要小測試,專業方式是靠風洞,但學校沒有足夠大的風洞,當地科技公司的風洞也只能測試小傘。魏世昕的方法是跑到校內最高的樓層(11樓),將降落傘綁著水桶丟下去(但高度不足,仍有測試限制)。

設計隨著每次任務有所差異,第一代是利用火藥將降落傘連同鼻錐彈射出去;第二代都是藉火箭在中間分節後, 再以火藥從分節區彈出降落傘,分節的設計是利用爆炸螺栓,將扣緊的兩節火箭斷開; 第三代時,因3D列印技術更趨成熟,零件製作也彈性許多,改為用火藥從火箭側邊彈出。三種設計在 APPL 系列都成功過,可惜在 HTTP 系列時變數複雜很多,未能看見降落傘系統成功執行。

成員正在組裝火箭的回收系統(連接傘繩與啟動降落傘的線路等)。
成員正在組裝火箭的回收系統(連接傘繩與啟動降落傘的線路等)。

後記

從新竹到屏東發射地,車程足足要8小時。發射時剛好遇到鋒面,ARRC團隊在狂風與陰翳天空下工作了四天三夜。因為團隊還沒有固定的研究基地,所有東西得搬來搬去,ARRC團隊就這麼頂著狂風,從黎明到薄暮進行一連串工作:整地、建航架、火箭組裝、上架、測試系統、灌燃料、航電聯測等等,到最後發射火箭。

3月24日,清晨陽光終於透出雲隙,長6.3公尺、直徑40公分、重300公斤的單節火箭 HTTP-3S 藉1,000 公斤重的推力衝上天際。火箭最後落於太平洋海面,可惜海象差而無法出海打撈回收。此次發射任務結束後,還有下一階段更繁重的雙節式探空火箭HTTP-3 任務, 期待ARRC前瞻火箭中心一步步走向太空!

HTTP-3S 冒出噴流、正要發射上天的瞬間時刻。
HTTP-3S 冒出噴流、正要發射上天的瞬間時刻。

 

歷代HTTP火箭資訊

HTTP-1 HTTP-2α HTTP-2β HTTP-3S
長度 4.2公尺 4.5公尺 4.9公尺 6.3公尺
直徑 15公分 15公分 20公分 40公分
重量 55公斤 64.5公斤 97公斤 300公斤
發射時間 2010.9.16 2011.9.3、9.4 2013.9.23 2014.3.24
火箭構造特點 成大自製飛行電腦。通訊天線採環形天線。 壓力容器與尾翼採用碳纖維(在此之前,壓力容器採玻璃纖維+鋁合金內膽,其餘為金屬骨架+薄玻纖外殼,唯燃燒艙為純鋁合金。) 燃燒艙採不鏽鋼+碳纖結構。通訊天線採子彈型天線。
飛行結果 順利發射。 燃料槽的控制閥出問題,火箭停留原地無法發射。 火箭順利射上接近10公里高空,唯通訊狀況不佳。 順利發射。通訊資料最完整的一次。

 

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2015/1月號

2015.03.18補充資訊:
台製前瞻火箭,即將升空,需要你的火力支援校園火箭隊!
火箭大叔前瞻計劃

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文章難易度
馥林文化_96
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馥林文化是由泰電電業股份有限公司於2002年成立的出版部門,有鑒於21世紀將是數位、科技、人文融合互動的世代,馥林亦出版科技機械類雜誌及相關書籍。馥林文化出版書籍http://www.fullon.com.tw/

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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這些太空垃圾會不會阻礙我們太空旅行?太空垃圾怎麼清? 
PanSci_96
・2024/05/29 ・5682字 ・閱讀時間約 11 分鐘

人類上太空的夢想會被我們親自摧毀嗎?

隨著火箭成本降低,人人都能把衛星丟上太空,現在,當你晚上抬頭看天空,你看到的星星可能不是星星,而是人造衛星。你看到一閃而過的的流星,可能只是墜入大氣的太空垃圾。

這些多到不行的太空垃圾已經成為隱憂,更可怕的是,這些以超音速飛行的太空垃圾可能摧毀其他衛星,在衛星軌道上製造更多不可預期的致命飛彈。有人擔心,人類終有一天會無法穿過這片垃圾雲,天空永遠被自己封閉。 終於,有人提出清理太空垃圾的方法了,但這些方法真的可行嗎?

現在的太空垃圾有多少?

最大的太空垃圾可能是整節火箭!

所有在繞行地球的軌道上失去功能的東西,都會成為太空垃圾,最大的包含壞掉的衛星、和大量運送衛星上太空的第二節推進火箭,例如 1960 年代太空競賽時大量發射的火箭,有許多至今還在宇宙遊蕩,每一個都像公車一樣大。而小東西,則包含太空人在太空漫步時遺忘的東西,或是太空垃圾互相碰撞後產生的碎片,最小可能只有數毫米,小的像隻蚊子。但不論太空垃圾來自哪裡,只要缺乏妥善的管理和追蹤,就可能成為其他運作中設施和儀器的致命血滴子。

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所有在繞行地球的軌道上失去功能的東西,都會成為太空垃圾,最大的包含壞掉的衛星、和大量運送衛星上太空的第二節推進火箭。
圖|PanSci YouTube

為什麼說太空垃圾真的很危險?

為了不被地心引力拉入大氣,墜向地球,在軌道上繞行地球的物體大多都以非常快的速度在移動,包括現在還在運作的衛星與各種設施。舉例來說國際太空站位於距離地球表面四百公里高的近地軌道(Low Earth Orbit),以大約每秒 7 ~ 8 公里的速度高速移動,是地表音速的 20 倍。也就是說,太空上的車禍可嚴重多了,來自不同方向或不同傾角的物體,可能會以超過每秒 10 公里的相對速度發生碰撞。別說公車大小的太空垃圾了,只要直徑超過 1 公分的碎片就足以對太陽能板或玻璃造成損害。更麻煩的是,大小在 10 公分以下的物體,大多還因為尺寸過小難以追蹤。

那麼,我們的頭上有多少太空垃圾呢?

根據歐洲太空總署 ESA 的資料,目前軌道上有 6800 個運作中的衛星,相對的有超過 3 萬 2千個可追蹤的太空垃圾。但如果估計所有無法追蹤的物體,大於 10 公分的物體可能有超過 3 萬 6 千個,介於 1 公分到 10 公分的則高達一百萬個。

根據歐洲太空總署 ESA 的資料,目前軌道上有 6800 個運作中的衛星,相對的有超過 3 萬 2 千個可追蹤的太空垃圾。但如果估計所有無法追蹤的物體,大於 10 公分的物體可能有超過 3 萬 6 千個,介於 1公分到 10 公分的則高達一百萬個。
圖|PanSci YouTube

在這些太空垃圾中,大多數大型太空垃圾就是來自發射衛星後,一起留在太空的第二節推進火箭,小型太空垃圾則來自火箭爆炸或各種大大小小碰撞所產生的碎片。

太空上曾發生過嚴重的太空垃圾碰撞事件?

歷史上比較嚴重的一次撞擊事件發生在 2009 年,銥衛星公司運作中的通訊衛星,重量 700 公斤的 iridium 33,和失效、重 900 公斤的蘇聯軍用衛星 kosmos 2251,在 789 公里的高空,兩台衛星以每秒 11.7 公里的相對速度直接撞上,化成了兩團在軌道上繞行的碎片團。

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NASA 估計,這單一次的碰撞產生了超過 2000 片可追蹤的碎片,雖然許多碎片受地球引力慢慢墜入大氣燒毀,但直到到 2023 年 2 月的統計,大約還有一半,也就是 1000 片碎片留在軌道上。過往也曾經觀察到碎片從距離國際太空站僅 100 多公尺的位置驚險掠過。

如何解決太空垃圾的問題?

太空垃圾又多又危險,真的有辦法清除嗎?

2023 年三月,NASA 發表一篇研究,整理了關於各種清理太空垃圾的方法與成本,包含從地面或太空發射雷射推動垃圾改變軌道,或是直接物理性撞擊改變軌道,還有透過捕捉垃圾,直接在太空將垃圾循環利用,作為燃料或其他用途的再利用等方法。

透過捕捉垃圾,直接在太空將垃圾循環利用,作為燃料或其他用途的再利用。
圖|PanSci YouTube

清理不同大小的物體,要用的方法跟產生的效益也不同,因此他們評估了針對兩種策略。第一種策略將會優先處理目前最大、最具威脅性的 50 個太空垃圾,例如完整的第二節火箭或是失去功能的完整衛星。第二種策略則是優先移除 1 到 10 公分的十萬個小型垃圾。NASA 分別評估處理這兩種目標帶來的效益,恩,所謂的效益,就是預估能減少多少因為太空垃圾碰撞而產生的損失。

要如何移除太空垃圾呢?

移除大型垃圾主要的方法主要是再入大氣層(re-entry),簡單來說就是讓垃圾落入大氣層燒毀。這個方法預計讓運送任務完成的火箭載具,透過剩餘的推進燃料,順手將其他大型垃圾帶下來。移除這 50 個大型垃圾預計總共會花費 10 億美金,但在移除 30 年後所帶來的效益,將會超過花費的成本,非常划算。

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至於小型太空垃圾,主要使用的方法將會是成本較低的雷射。藉由雷射產生的微弱動能來改變垃圾的軌道,將它們送入大氣層或推離常用的軌道。發射雷射的裝置可以設置在地面或是太空中,單純以使用效率來說,設置在太空所需要的能量較低,但是設置在地面維護和管理比較方便。然而這也衍伸了許多爭議,主要圍繞在這個清除垃圾的雷射也可以作為武器使用,例如在戰爭爆發時用雷射攻擊敵國的衛星。不過如果順利設置的話,清除十萬個小型垃圾後大約只要十年就可以達到等同於成本的效益,比移除大型垃圾能更快回收成本。

至於小型太空垃圾,主要使用的方法將會是成本較低的雷射。藉由雷射產生的微弱動能來改變垃圾的軌道,將它們送入大氣層或推離常用的軌道。
圖|PanSci YouTube

方法有了,但我們真的能讓太空再次乾淨嗎?

太空垃圾問題有解嗎?

現在的太空有多擁擠?

如果把歷史發射資料整理出來,會發現近五年人類的衛星發射數量幾乎是直線攀升,2012 年一整年全世界也只發射了 200 多顆衛星,到了 2022 年已經成長到一年 2000 多顆衛星。而且絕大部分都是來自於美國的衛星,想當然很大一部份都來自於 SpaceX 的星鏈計畫。而受益於獵鷹九號的高成功率和可回收造就的低廉成本,也能夠發射更多的中小型衛星,像是我們臺灣也發射了不少自主研發的立方衛星上太空,例如 2021 的「飛鼠」和「玉山」以及最近才剛發射的珍珠號立方衛星。

如果所有的衛星與火箭都會變成太空垃圾,我們清理垃圾的速度又不夠快,還有可能發生凱斯勒現象(Kessler syndrome),也就是碰撞產生的碎片引發連鎖反應,造成更多撞擊和更多碎片,讓不可控的太空垃圾快速增加,直到新的火箭與衛星都難以穿越,我們將無法前往太空,被自己的創造出的人造物封鎖在地球。

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如果所有的衛星與火箭都會變成太空垃圾,我們清理垃圾的速度又不夠快,還有可能發生凱斯勒現象(Kessler syndrome),也就是碰撞產生的碎片引發連鎖反應,造成更多撞擊和更多碎片,讓不可控的太空垃圾快速增加,直到新的火箭與衛星都難以穿越,我們將無法前往太空,被自己的創造出的人造物封鎖在地球。
圖|PanSci YouTube

治標也要治本,我們對於即將發射進太空的人造物能有套管理辦法嗎?

1967 年在聯合國通過並簽署的《關於各國探索和利用包括月球和其他天體的外太空活動所應遵守原則的條約》,簡稱為《外太空條約》。這個條約制定了各國在外太空活動所應該遵守的原則,其中和人造衛星有關的原則主要有三個:

  1. 國家責任原則:各國應對其航太活動承擔國際責任,不管這種活動是由政府部門還是由非政府部門進行的
  2. 對空間物體的管轄權和控制權原則:射入外空的空間物體登記國對其在外空的物體仍保持管轄權和控制權
  3. 外空物體登記原則:凡進行航太活動的國家同意在最大可能和實際可行的範圍內將活動的狀況、地點及結果通知聯合國秘書長

也就是說,雖然各國需要將太空活動回報給聯合國統計,但實際上在制定規範和進行管制的還是各國本身。以美國來說,分別需要和 FAA 聯邦航空總署申報火箭發射和再入大氣層的計畫,以及向 FCC 聯邦通訊委員會申報衛星的通訊規格,至於要如何避免在太空發生碰撞,是發射單位要自己負起責任,公部門只提供有追蹤的物體軌道資料。

如何避免在太空發生碰撞,是發射單位要自己負起責任,公部門只提供有追蹤的物體軌道資料。
圖|PanSci YouTube

不過對於衛星任務結束後的處置,FCC 倒是有相關的規定和罰鍰。因為如果衛星有動力系統,可以在任務結束時就控制墜入大氣層或飛離常用軌道,進到所謂的死亡軌道(Graveyard Orbit),而通常在申請發射衛星時,也需一併提供任務結束後的處置方式。

去年,衛星電視業者 Dish Network 沒有按照它在 2012 年所制定的衛星處置計畫,將衛星從離地 36000 公里的地球同步軌道再往外推 300 公里。這顆衛星在移動的半途中就燃料耗盡失去了動力,只離開原本的軌道 120 公里,FCC 因此對衛星電視業者開罰了 15 萬美元。這起首次針對太空垃圾的開罰,對於太空垃圾的管制具有重大的意義,代表著對太空垃圾危害性的重視,也代表著清理太空垃圾的商機正在逐漸成長。

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清除太空垃圾能有商業價值?

隨著商業化的太空活動逐漸熱絡,如何讓清理太空垃圾不只是空談也成了一個重要的問題。如果軌道上的垃圾減少,受益的會是所有使用軌道的衛星。就與現存的回收與垃圾處理方式一樣,我們可以規定所有衛星的生產者都必須繳交「太空垃圾處理費」,如果在發射的過程中產生額外的太空垃圾,則必須提高費率。相對的,如果一家公司提供清理太空垃圾的服務,則可以獲得這些「太空垃圾權」並換成對應的金額。

我們可以規定所有衛星的生產者都必須繳交「太空垃圾處理費」,如果在發射的過程中產生額外的太空垃圾,則必須提高費率。相對的,如果一家公司提供清理太空垃圾的服務,則可以獲得這些「太空垃圾權」並換成對應的金額。
圖|PanSci YouTube

另外,雖然目前對於在軌道上進行捕捉再回收的直接經濟效益並不突出,但如果未來在太空可以建立起專門的處理設施,或許可以作為一個長期的太空垃圾處理機制,沒想到吧,人類要成為跨行星文明的第一步,竟然是得先成立太空垃圾清潔隊。

不過話說回來,要讓各國政府願意砸大錢在太空垃圾回收產業可能還需要一點時間。畢竟相較於直接影響到生活的全球暖化,太空垃圾的危害並不那麼可怕,大型垃圾的撞擊也可以預測並提前避開,因此短時間內也還不會有明顯的感受,但如果你是需要觀測的天文學家,可能就覺得垃圾好礙眼了。

最後想問問大家,你覺得處理太空垃圾最好的辦法會是什麼呢?

  1. 向所有太空公司徵收處理費,培育回收業者,資本的事情資本解決。
  2. 從技術研發著手,火箭能回收,想必衛星回收技術很快也能做出來。
  3. 都別處理了,就等人類把自己鎖死在地球,宇宙垃圾就不會再增加了!

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太空種電?不受天氣影響的發電廠登場,人類將迎來能源自由?
PanSci_96
・2023/08/12 ・4585字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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要核能、綠能、還是天然氣?大家不用吵了,因為讓我隆重介紹,宇宙太陽能準備登場,地球將進入能源自由,人類文明將邁入下一個時代!

雖然只是邁入第一步,但我沒有在開玩笑,美國、日本、歐盟、英國都陸續展開宇宙太陽能計畫,預計在太空中布下大量太陽能板,將取之不盡的能量,不分晝夜、不分天氣地將能量源源不絕的傳回地球。而且第一階段的測試,已經在宇宙中測試成功了!

宇宙太陽能真的可行嗎?我們離能源自由,還有多遠?

為什麼要去太空中進行太陽能發電?地面太陽能的困境

台灣要選擇哪種能源配比,各方論點各有道理。而同樣的問題,不只是台灣,對世界各國來說都是爭論不休的議題。面對這樣的困境,竟然有人提議往太空探索,去太空中進行大規模太陽能發電,並將能量傳回地球,成為宇宙太陽能電廠,一舉解決所有能源問題。可是就算不去太空,在地面上的太陽能近年來成長迅速,安裝量和產量都持續增加,為什麼非得跑到太空中去做一樣的事呢?

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雖然太陽能板的設置成本近年來降低很多,能不能穩定發電卻要看老天臉色,而且需要的佔地面積廣大。世界上只有少數幅員廣大,日照充足的國家可以打造 GW 等級的太陽能發電廠,像是印度,中國,以及中東地區。許多地方例如台灣,多以民間業者小規模發展為主,很難建設大規模的太陽能發電廠,如果要大規模使用農地、魚塭、屋頂種電,也有許多問題等待解決。

不過只要把太陽能搬到外太空,就可以大喊:「解開束縛、重生吧!太陽能,我還你原型!」

首先,太空中可以接收到更多的陽光。由於太空中沒有夜晚,所以軌道上的衛星幾乎可以 24 小時暴露在陽光之下。此外,太空中的陽光不會像地面上的冬天或傍晚,有傾斜入射的問題。太陽能板可以隨時指向太陽的方向,和太陽光的方向保持垂直,接受百分之百的陽光照射。根據計算,同一塊太陽能板放在太空中可以接受到的陽光量至少是地表的三倍以上。

地球上陽光傾斜入射的問題示意圖。圖/PanSci YouTube

另外,地球的大氣其實幫我們阻隔了許多陽光,保護地表上的我們不會被瞬間曬傷。就算是晴朗無雲的日子,大氣層還是會散射掉許多的陽光。太空中的太陽輻射比地表強上不少,大約多了 40% 左右。

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綜合前面所說的,只要把現有的光電材料放到衛星軌道上,就可以輕鬆獲得約四倍的發電量。此外還不需要任何占地,不會對環境生態帶來負面影響。

太空種出的電要怎麼運回地球?

你可能會好奇,在太空中收穫這麼多太陽能,要怎麼運回地球給大家使用呢?難道要存在電池裡再回收嗎?科幻大師艾西莫夫早在 1941 年就想過這個問題了。在他的短篇小說《理性》中,各個太空站會再收集太陽能之後,用微波光束將能量傳送至不同行星,也就是遠距無線傳輸能量。

雖然這種技術在當時屬於科幻情節,但現在的我們知道這樣的技術在原理上可能辦到的。在我們介紹無線獵能手環那集,我們有提到電磁波傳遞能量的問題,就是能量會以波源為中心向外發散,並且能量隨著距離快速衰減。想要高效率傳輸能量,如果不想接條線,就必須使用指向性的波源,將能源都集中到一點。

現在,我們使用多個天線組成陣列,並調整他們的相位,讓各個天線發出的微波產生干涉,形成筆直前進的單方向微波束,將能量精準發射到遠處的一個點。除此之外,因為選擇的電磁波頻段是微波,就像手機訊號可以穿過牆壁到你的手機一樣,特定頻率的微波也能穿透大氣層或雲層的阻擋。即使地球上的我們是下雨天,宇宙太陽能仍能透過微波將能量傳至地表,大幅降低天氣造成的影響。

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所以,只要把所有太陽能板發射到地球同步軌道上,讓它們在軌道中展開,組裝成大還要更大,邊長長達數公里的超大太陽能板。這樣空中太陽能發電廠就會一直維持在天空中的某一點,地面的我們,只要蓋個微波接收站就可以了。當然要將所有設備發射到地球同步軌道上所費不貲,較可行的做法是先用火箭將衛星射入高度較低的低地球軌道中,再利用衛星本身的離子噴射等方式把自己慢慢推到地球同步軌道。

太空太陽能發電廠概念圖。圖/Space.com

這個主意,在 1968 年工程師 Peter Glaser 就在 Science 期刊上提出,還向美國政府申請了專利。當時,美國能源局和 NASA 也覺得這個概念挺「有趣」的,針對宇宙太陽能做了一系列的調查並提出了正式的可行性報告。不過當時各方面的技術未成熟,無法進行測試。最重要的是,要把一整個太陽能發電廠射到太空,實在要花太多錢,產出的電根本就不敷成本。

好消息是,太空運輸成本近年來已經降低很多。SpaceX 的獵鷹九號火箭將每公斤物質運到低地球軌道的成本,只需要約三千美元,是過去使用太空梭運載的二十分之一。這讓宇宙太陽能的可能性,從僅只於科幻,搖身一變成為潛力無窮的未來能源。

宇宙太陽能離我們有多遠?

從美國、英國、歐盟到日本,都已經放話要加入這場全新的太空能源競賽。領跑者之一是日本的太空機構,宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組,是有生之年就能看到的成果!

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從宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組。圖/PanSci YouTube

這個時程也不是信口開河,日本在 1980 年代左右便開啟了宇宙太陽能計畫。經過數十年的規劃與研發, JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。這個實驗相當重要,因為在發射成本的問題解決之後,宇宙太陽能要面對的下一個難題,就是如何有效地從外太空軌道遠距送電。雖然我們已經知道可以透過干涉的方法,讓微波束直線前進,但實際運作時,還是會有一個很小的發散角,不會完全平行。

JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。圖/PanSci YouTube

失之毫釐。差之千里。地球同步軌道離地表可是有三萬六千公里,小小的發散角到地面就會嚴重發散,地面的接收天線尺寸也不可能無限擴張。這任務的難度差不多等於要從操場的一端用雷射筆打到另一端的蚊子,非常困難。JAXA 的天線雖然目前還未達到需要的準度,但是發散角已經能控制在 0.15 度左右,足以從較低的低地球軌道傳輸能量回地球,做初步的測試。

從還處在規劃階段的日本,瞬間移動到地球的另一端,美國的研究團隊,在這個月已經宣布取得重大突破。加州理工學院的宇宙太陽能計畫在今年初,成功讓一個小型測試模組,乘著 SpaceX 的獵鷹 9 號前進低地球軌道,進行太空中的實際測試。這個小型模組包含三個小實驗。第一個實驗是測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。第二個實驗則是要在 32 種不同的光電材料中,找出哪種在太空中效果最好。第三則是要測試微波傳輸能量在太空中的可行性。

測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。圖/caltech.edu

就在今年的 6 月 1 號,團隊宣布他們設計的可彎曲天線陣列,在太空中成功傳送能量到三十公分外的接收天線,點亮了 LED 燈。雖然距離只有短短的 30 公分,但是整個實驗暴露在外太空的環境中進行,證明他們的設計可以承受最嚴苛的環境條件。做為測試,他們也嘗試讓天線發射能量到遠在地球表面,大學實驗室的屋頂上。並且,還真的被他們量測到了數值。儘管規模不大,但這是宇宙太陽能第一次的軌道測試,結果相當振奮人心。

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可彎曲天線陣列。圖/PanSci YouTube
右方為可彎曲天線陣列(發射端),左邊為接收端的 LED 燈泡。圖/caltech.edu

如此看來,技術的發展似乎相當樂觀。可是要用於民生發電,成本是很大的重點。宇宙太陽能真的符合經濟效益嗎?或是我們該把資源留給其他選項呢?

宇宙發電廠符合經濟效益嗎?

根據美國能源情報署 EIA 的資料,1GW 發電容量的發電廠,傳統燃煤發電廠的初期建設成本,大約是一千億台幣,核電廠大約是兩千億台幣。那宇宙太陽能呢?每 1kW 的發電需要二十公斤的材料,1GW 就需要兩萬公噸。目前 SpaceX 獵鷹重型火箭運送每公斤材料進入軌道,需要三萬台幣。也就是說,光是將設備全部送上太空的運輸成本,就需要六千億的驚人花費。再加上太陽能板與相關設備的建置成本,以地面型太陽能發電廠為參考的話,大概還要多花500億台幣。而 JAXA 方面的預估,打造第一座 1GW 宇宙太陽能至少需要一兆兩千億日圓,雖然比我們用獵鷹重型火箭預估的還要低,但仍是一筆龐大費用。

各種發電方式的成本與性能表現。圖/美國能源情報署 EIA

那宇宙太陽能真的只是將鈔票往太空撒,空有理想的計畫嗎?當然不是,有兩個讓科學家不放棄的理由——首先是未來建造成本一定會下修。太空的發射成本相比 50 年前,已經少了兩個零,在 SpaceX 的發展下,還在持續地快速減少。另一方面,太陽能材料的輕量化工程也持續在進行,每 kW 發電重量只有十公斤或以下的太陽能材料已經不是虛構。新式的太陽能材料,我們未來也會陸續介紹。這兩個因素加乘在一起,一兆兩千億日圓的成本,很有機會在幾年內就減少為十分之一或更少。

發射火箭的成本逐年降低。圖/futuretimeline.net

更重要的是,宇宙太陽能一但建置完成,就會成為可做為基載能源的再生能源,減少對石化燃料的依賴。甚至因為主要設備都在太空,地面只需要建設接收站,可能將解決許多偏遠地區的能源問題,一舉改變全世界的能源型態。而且與許多八字還沒一撇的發電方式相比,宇宙太陽能已經算是距離現實很接近的選項,也難怪各個國家紛紛搶著要發展這塊領域。不過雖說是永續能源,還是有許多方面值得深入研究。例如要把幾萬公噸的材料射到軌道中,需要排放多少的火箭廢氣?一但規模化,這些巨大的宇宙太陽能板是否會成為小行星的標靶,或在一次的太陽風暴過後,讓軌道中堆滿太空垃圾?

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宇宙太陽能究竟能不能成為可靠的新興未來能源,從想都不敢想,到開始精算成本,相信我們很快就會知道答案。

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