在新竹科學園區，國家太空中心的衛星整測廠房，現在有六顆氣象衛星正如火如荼的進行各項功能以及環境測試，準備在明（2017）年第一季發射。而這些就是我們即將要接替福衛三號任務，繼續為我們觀測全球氣象的福衛七號衛星，這六顆僅僅是第一批要升空的衛星們，總共將有 13 顆衛星分成兩批升空。由於福衛七號文章散見各報導文章，本文針對與福衛七號搭乘同一班火箭升空的衛星計畫作介紹。
太空巴士和它的乘客們
福衛七號衛星每顆重約 277.8 公斤（含燃料），伴隨福衛七號第一批升空的衛星，還有其他大大小小的奈米衛星將搭乘同一班火箭 Space X 公司所製造的獵鷹重型 （Falcon Heavy） 火箭到太空。
- 獵鷹重型 （ Falcon Heavy ） 火箭發射模擬動畫
獵鷹重型火箭將會從美國東岸，佛羅里達甘迺迪太空中心發射場發射；大約 48 分鐘以後，火箭會抵達 520~550 公里高，開始以每 60 秒的時間間格，分別釋放福衛七號六顆衛星。未來當福衛七號衛星布軌完成以後，將以 24 度低傾角圍繞著赤道飛行，執行地球大氣壓力、溫度、和濕度等氣象數據的偵測任務。
由於環保意識抬頭，為了解決日益增多的「太空垃圾」問題，大部分的國家包含美國、日本與歐盟已有共識，嚴格規定衛星與火箭製造者，在設計階段都必須提出「任務結束」的計畫。Space X 的獵鷹重型火箭第一節具備有三個芯（core），每一個芯有 9 具引擎，總計是 27 個引擎。每一隻芯的底部外觀，都有四個黑色蓋子，每一個蓋子裡面都有降落支架，在回收過程將會打開蓋子釋出降落支架，執行回收任務。在火箭發射約 3 分鐘以後，將分別降落在佛羅里達火箭發射場。
現在 Space X 的策略是希望盡可能回收火箭，以削減製造成本。之前已經成功回收的「獵鷹 9 號」（Falcon 9），製造成本為 6000 萬美元，但燃料成本只有 20 萬美元。如果回收的火箭不需要太大翻修，重複使用可能將大幅削減製造成本。然而獵鷹重型火箭第一節的三個芯，實際上尚未實際測試，也還沒有成功回收的紀錄。因此福衛七號的發射很有可能是 Space X 第一次的重型火箭回收任務。
第二節火箭將持續載著衛星飛行，在彈射完所有的衛星之後，距離發射時間大約 3 小時，剩下第二節火箭，還會重新啟動返回大氣層，執行燒毀機制。當然，福衛七號衛星設計時，也有考慮「返回機制」，未來福衛七號任何一顆衛星到達壽命使用年限時，都會啟動返回機制在大氣層燒毀，以避免人造衛星退休後，留滯在太空成為太空垃圾造成問題。
在獵鷹重型火箭整流罩內，總計有四層衛星的彈射機構，最上層的銜接環安裝有「示範和科學實驗衛星」（Demonstration and Science Experiments, DSX），第二層銜接環安裝兩顆福衛七號衛星，第三層有四顆福衛七號衛星，最下面的銜接環安裝有六顆小衛星。
接下來就讓我們來看看到底有誰共乘了這班火箭巴士吧！
變形金剛—Oculus-ASR衛星
火箭發射以後，第一顆離開火箭的衛星稱為 Oculus-ASR 衛星，這是由美國密西根理工大學學生的衛星計畫，這顆衛星是由兩組不同外形，包含八角型以及四方型兩種模組所組成。
任務執行期間，方形衛星模組將變換外型，外殼鍍上紅色、藍色、黃色和透明的陽極氧化鋁四種高反射率顏色，太陽能電池板將分別依照指令展開。當高倍率望遠鏡由地面觀察太空衛星時，藉由衛星外型與顏色變換，即可進行衛星尋找與偵測實驗。
另一方面，八角形的模組載有兩具高倍率的望遠鏡酬載，將執行從太空觀察太空的影像，可以用來比較從地面觀察同一太空目標的影像。
太空也有帆船出航—Prox 1 雙星計畫
火箭發射 40 分鐘後，第二個離開火箭的是 Prox 1 雙星計畫，從 Prox 1 母衛星內部，會彈出長方形立體的「子衛星」，稱為光帆 B（LightSail B）衛星。光帆「子衛星」從「母衛星」分離後，會展開四片太陽能電池板，然後再張開一張 32 平方公尺的太陽帆。
- Prox 1 雙星計畫概念動畫
母船裡有相機以及偵測器，會密切的觀察 LightSail B 展開太陽帆的過程，以及衛星展開太陽帆以後，經由控制太陽帆角度，衛星的實際飛行狀態。
這是人類第一次在太空近距離即時（real time）觀察利用太陽風與太陽帆改變夾角控制衛星的實驗，相當具有意義。
另外，Prox 1 雙星實驗地點距離地球表面 800 公里遠，這是地球大氣層最上層的高度，已經是非常稀薄的真空狀態，進行太陽帆活動實驗不會受到大氣層阻力的影響。在這一高度，衛星受的重力與衛星飛行離心力產生平衡的狀態，因此太陽輻射成為對太陽帆實驗成為唯一的外力，代表著只要操控衛星上面的太陽帆與太陽風的夾角，就能利用「太陽風」使衛星在太空自由活動。
實驗性質的海軍衛星—NPSAT-1
Prox 1 雙星離開火箭以後，每過一分鐘就有一顆衛星離開火箭。第三顆離開火箭的是「美國海軍研究院衛星（NPSAT-1） 」，本計畫美國海軍研究院有超過四十位研究生參加。
這是教育訓練用低成本衛星實驗衛星，主要的元件使用「現貨商用零件（COTS）」組裝衛星，包括指令與資料處理器（C&DH）、相機、耐輻射和鋰離子電池以及微機電系統等等；衛星酬載是用來探測太空電子的溫度，密度和能量的裝置。
比較特別的是，NPSAT1 將在任務結束時，衛星將自動降低軌道，重新進入大氣層，經過模擬分析 NPSAT1 在大氣層解體燃燒後，所剩下的碎屑與地面上物體碰撞風險是可忽略的。
時光怪客 — 軌道試驗床（OTB）衛星計畫
「軌道試驗床（ Orbital Test Bed）衛星」是由美國太空總署與推進實驗室推動的深太空（Deep Space）計畫。由於執行自動導航、軌道變換或探測星球執行登陸任務時，需要更高精度的時間數來操作衛星或太空船，於是就發展了 Deep Space Atomic Clock（DSAC）計畫。其所使用的「超精準汞離子的原子鐘」比目前在 GPS 導航衛星所使用的微波銫原子鐘精確 100 到 1000 倍。
除了 DSAC 酬載之外，OTB 衛星還搭載有其他四個包括輻射效應偵測器、太空離子偵測器、通訊用接收機，以及模組化太陽能電池板等先進實驗酬載。用來觀察太空低軌道的輻射量，太空天氣變化的任務，以及測試新設計的通訊以及電力次系統功能。
OTB 衛星本體，是由美國 Surrey 太空公司所提供；另外，計畫任務結束時，衛星上的「終結者衛星脫離軌道系統」將啟動，這是美國民間開發低成本、提供衛星結束任務時返回地球的裝置。
太空垃圾回收—用繫繩釣垃圾
前述「終結者衛星脫離軌道系統」是由一間位於美國西雅圖的 Tethers Unlimited 公司所研製的設備。自從 2011 年 7 月美國亞特蘭提斯號太空梭最後任務結束以後，美國太空總署將大部分的經費轉由民間執行，短短的 5 年之間，培植出強大的美國太空產業，包括商用運載火箭、衛星研製，專門的衛星元件廠商，以及各項太空後勤支援，如雨後春筍遍布美國各州。
「終結者衛星脫離軌道系統」是為了減少太空垃圾所發展的新技術，在發射之前安裝在衛星上面，當接收命令以後，「脫離軌道裝置」將脫離衛星，部署在衛星下方約 5 公里長，連接著一條「繫繩」。
此「繫繩」會與電離層離子體和地磁場產生感應，並沿著繫繩產生電流，電流會產生拉力，使衛星軌道逐漸降低。「終結者衛星脫離軌道系統」經過幾週或幾個月的時間，會逐漸降低衛星軌道高度，最後衛星將脫離太空返回大氣層燒毀。
史上第一「片」輕薄短小的廉價太空望遠鏡 — 獵鷹 7 號
在這次發射火箭裡，搭載有獵鷹 6 號（FalconSat 6）以及獵鷹 7 號的（FalconSat 7）奈米衛星，他們都是美國太空總署（NASA），空軍技術研究所（AFIT）和美國空軍實驗研究院（AFRL）共同研製。
比較特別的是獵鷹 7 號（FalconSat 7），這是一顆「廉價太空望遠鏡衛星」，衛星所搭載的酬載是使用鍍鋁的聚醯亞胺膜（polyimide membranes）所做的光子篩，該材料上可以折疊的柔性膜特性，打造世界上第一台星載薄膜的望遠鏡。
一般傳統望遠鏡都是使用透鏡或鏡子，通過折射或者反射聚集光線，而光子篩利用的是衍射現象。光子篩（世界上最薄的透鏡）是一種超薄的塑膠盤，上面有數百萬個細微的小孔，每個小孔都可以使光從不同角度聚集於一個焦點。
光子篩是光學系統的心臟，與傳統的透鏡或者鏡子相比，光子篩聚集於焦點的光量少，比較難於給模糊的物體成像，而且只能拍攝黑白照片。但是，光子篩造價低廉、重量輕，而且容易生產較大尺寸的「聚光」面積。另外光子篩還可以折疊和展開不受損壞，鏡子和透鏡就不能做到這一點。
光子篩薄膜材料的熱膨脹係數（CTE）接近零，這是非常重要的特性，可以在太空軌道經歷陽光照射、冷熱交替的環境，也不會使聚焦成像的圖案變形失真。另外一個顯著的優點是，使用光子篩薄膜元件在衛星發射前折疊起來以減少體積，但是在太空展開光子篩以後，不需要將光子篩繃緊至非常平坦，任一個光學折射或反射都能發揮聚光效果。
另外，傳統的透鏡影像成相時，不僅有來自聚焦面的光，非聚焦面的光也影響了影像的解析度；光子篩的共軛焦顯技術可去除傳統螢光顯微鏡影像中的迷光。所獲得的數據，未來成像處理時可將影像一層一層觀察，增加了影像的對比和解析度。
獵鷹 7 號奈米衛星任務將觀察太陽表面的黑子活動。計畫成功以後，未來更可以利用這一技術，研製一個 20 米大的光子篩遙測微衛星，照相解析度甚至可以達到 1 公尺以內的超高解析度，為地球表面的物體成像。
綠色燃料衛星計畫 — GPIM
美國太空總署推出下一代太空用綠色推進燃料的 GPIM（Green Propellant Infusion Mission） 任務，希望能以這款新型化學反應燃料取代傳統使用、具有劇毒的聯氨（hydrazine）。
由 Ball Aerospace & Technologies Corp. 公司和 JPL 實驗室共同開發的新配方燃料，是由羥基硝酸銨（CTE Hydroxyl Ammonium Nitrate）和氧化劑（oxidizer）混合稱的低毒性推進劑，稱為「AF-M315E」。
不論是聯氨或 AF-M315E 都是經由化學反應產生推力，筆者記得福爾摩沙一號、二號以及三號衛星在發射場灌注衛星燃料時，場訪作業現場必須完全淨空，灌注人員身穿密封的保護裝，小心的作業，印象相當深刻。
計畫成功以後，綠色燃料新技術將使用在未來的火箭和太空計畫中，不僅使用更安全的燃料，充填的時間更快，並且更便宜，對於各種太空計畫來說都是一大福音。
最後一位乘客 — DSX
距離火箭發射後，時間大約 48 分鐘，輪到福衛七號六顆衛星離開火箭的時間到了，福衛七號將以 60 秒的間隔，逐一彈射進入太空軌道。
最後離開火箭的是位於火箭頂端的「示範和科學實驗衛星」（Demonstration and Science Experiments, DSX），分成兩個機構：一邊是衛星飛行與控制機構，另外一邊是三個實驗酬載機構，兩機構中間是一個火箭銜接環。DSX 任務，是由美國空軍實驗研究院研製。
人造衛星運行軌道介於低地球軌道（2,000公里）和地球靜止軌道（35,786公里）之間，這軌道被稱為中地球軌道（MEO）。在 MEO 軌道上，人造衛星會遭遇到比在低軌道，惡劣的輻射環境，為了確認衛星系統能使用成本較低的 GPS 導航功能，DSX 衛星計畫提供高速衛星通信功能，並示範在中軌道高輻射的太空環境下，人造衛星能長時間執行任務。
星際環保大戰
由於環保意識抬頭，各國相繼定訂減少太空碎片的規範。包括獵鷹重型火箭、福爾摩沙七號衛星，以及火箭上的其他衛星「乘客們」都必須遵守規範。因此猶在設計階段時，美國甘迺迪發射場（Kennedy Space Center）的安全官員，便要求審查各衛星計畫所提出的「任務結束時減少太空垃圾計畫書」。而未來的太空計畫均會被要求遵守「環保規範」，這也是搭乘這班火箭最大的特色。
另外，值此世界各國奈米衛星研發已經蔚為趨勢，國內也有許多奈米衛星的研發卻苦無發射經費之憾。看到世界各國創新研發，我國亦可利用現有衛星計畫發射的時機，將奈米衛星安置在「奈米衛星彈射機構」上，搭便車的將國內的研發奈米衛星送上外太空。
資料來源：
- 方振洲，〈福衛七號：進一步探索福衛七號衛星〉，《科學發展》2016年5月，521期，26 ~ 33頁。
- Falcon Heavy, Space X website.
- Nick L. Yen, FORMOSAT-7/COSMIC-2 Progress Update and its Launch Plan, NARLabs
- Oculus-ASR, Michigan Tech Aerospace Enterprise
- Prox-1 University Nanosat Mission, Center for Spaceflight Projects, Georgia Tech
- LightSail A, B, Gunter’s Space Page
- NPSAT-1 Small Satellite, Space System Academy Group, Naval Postgraduate School.
- NPSat1, Space System Academy Group, Naval Postgraduate School.
- Orbital Test Bed (OTB), Surrey Satellite Technology Ltd.
- The Terminator Tape and Terminator Tether Satellite Deorbit Systems, Tethers Unlimited.
- FalconSat-7, eoPortal Directory.
- 方程毅，〈世界上最薄的透鏡！〉，CASE讀報，2016 年 04 月 19 日。
- Ball Aerospace
- DSX (Demonstration and Science Experiments) in MEO, eoPortal Directory.
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