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與福衛七號共乘火箭的衛星同伴們

黃 正中_96
・2016/08/17 ・5629字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

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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 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。

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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。

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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。

火箭整流罩衛星配置圖
火箭整流罩衛星配置圖。圖/國研院太空中心介紹pdf

接下來就讓我們來看看到底有誰共乘了這班火箭巴士吧!

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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。

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Oculus-ASR 衛星。圖/MTU Aerospace Enterprise

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

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Prox 1 衛星。圖/Georgia Tech Center for Space Systems

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。

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  • 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

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NPSAT-1。圖/Naval Postgraduate School

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。

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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

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軌道試驗床(OTB)衛星。圖/Surrey Satellite Technology

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。

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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。

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史上第一「片」輕薄短小的廉價太空望遠鏡 — 獵鷹 7 號

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美國空軍實驗研究院在零重力空間測試 FalconSAT-7 。圖/USAFA

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。

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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

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GPIM。圖/NASA

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)。

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:

  1. 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
  2. Falcon Heavy, Space X website.
  3. Nick L. Yen, FORMOSAT-7/COSMIC-2 Progress Update and its Launch Plan, NARLabs
  4. Oculus-ASRMichigan Tech Aerospace Enterprise
  5. Prox-1 University Nanosat Mission, Center for Spaceflight Projects, Georgia Tech
  6. LightSail A, B, Gunter’s Space Page
  7. NPSAT-1 Small Satellite, Space System Academy Group, Naval Postgraduate School.
  8. NPSat1, Space System Academy Group, Naval Postgraduate School.
  9. Orbital Test Bed (OTB), Surrey Satellite Technology Ltd.
  10. The Terminator Tape and Terminator Tether Satellite Deorbit Systems, Tethers Unlimited.
  11. FalconSat-7, eoPortal Directory.
  12. 方程毅,〈世界上最薄的透鏡!〉,CASE讀報,2016 年 04 月 19 日。
  13. Ball Aerospace
  14. DSX (Demonstration and Science Experiments) in MEO, eoPortal Directory.
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黃 正中_96
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國家實驗研究院國家太空中心研究員。勿忘對科學研究的熱情,勇敢築夢,實現夢想…...

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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

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  • 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。

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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。

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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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火箭阿伯的「臺灣太空港」願景——專訪國家太空中心主任吳宗信
科技大觀園_96
・2022/01/16 ・4905字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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臺灣的「國家太空中心」於 1991 年成立至今屆滿 30 年。恰好在而立之年,行政院 11 月 25 日拍板「國家太空中心設置條例」,若立法院審查順利,太空中心將於 2022 年升格為直屬科技部的行政法人,大力推動我國太空科技及產業發展!

談到臺灣的太空發展,你可能會先想到 2019 年發射的「福衛七號」;但若談到火箭,你可能會先想起一個身著橘色連身衣的阿伯,操著臺語在 TED 講台上侃侃而談的身影,也就是現任國家太空中心主任吳宗信。

「火箭阿伯」吳宗信在今年 8 月接任國家太空中心主任,在「產官學」三界都走了一遭。圖/呂元弘攝

放眼宇宙卻心懷鄉土的「火箭阿伯」,是很多人對吳宗信主任的印象。吳宗信在 2012 年在陽明交通大學創立了前瞻火箭研究中心(ARRC),同時也有創立太空科技公司的經驗。如今他在今年 8 月接任國家太空中心主任,在「產官學」三界都走了一遭。

談到何為「太空產業」的基礎問題?吳宗信解釋,火箭與衛星的發展,需要很多不同專長的人才,仰賴跨領域合作,「是一門精密且嚴謹的系統工程。」

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火箭產值雖然不大,卻對太空產業至關重要

談到臺灣的太空產業該如何發展?吳宗信指出,要發展太空產業,除了過去國家太空中心專注於的衛星發展,擁有自主發射火箭的能力也很關鍵。以馬斯克的 SpaceX 為例, SpaceX 是先將火箭發展起來,接著才有如星鏈(Starlink)的衛星服務,透過這樣的過程來達成太空產業一條龍。

然而有趣的是,火箭其實只佔太空產業總產值的大約 2-3%,因此光靠火箭賺大錢其實很困難。既然產值很少,那大費周章的研發火箭到底有什麼好處呢?

對此吳宗信解釋,一個用在衛星上的設備和地面設備最大的差別,就是前者必須能在真空、高輻射、高溫差的太空環境運作,也要能承受震動、噪音等火箭發射過程帶來的考驗。

因此,雖然地面上也能模擬出類似太空中的環境,但要驗證一個設備是否符合「太空等級」,還是要直接送上太空長時間運作,經過真實的極端環境考驗才能見真章。如果有能力自己發射衛星,那對於太空相關設備的驗證頻率就能得到顯著提升,整條產業鏈的進步的速度才會快。

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「遙測」及「通訊」雙軌進行,強化自主衛星發展能力

火箭研發是臺灣太空產業未來發展的關鍵,但同時衛星發展的腳步也並未因此停下來!國家太空中心目前正在執行自 2019 年起為期 10 年的「第三期太空計畫」,該計畫以開發「遙測衛星」為主。

吳宗信提到,在遙測衛星部分,目前有六枚解析度1米,經地面影像處理後解析度可達 0.7 米的「光學遙測衛星」(也就是福衛八號計畫)。福衛八號衛星第一枚(FS-8A)科學酬載的研製由成功大學負責,主要發展雙波段大氣瞬變影像儀與電子溫度密度儀,目前規劃於 2023 年發射;同時,太空中心未來也將再發展兩枚「超高解析度遙測衛星」。

福衛八號衛星示意圖。圖/國家太空中心提供

吳宗信指出,第三期太空計畫還有兩枚合成孔徑雷達(SAR)遙測衛星的計畫,不同於福衛二、五、八以「可見光」遙測,合成孔徑雷達因為觀測波段可以穿透雲層,全天候皆可使用是其優勢之一。

除了遙測衛星以外,發展「通訊衛星」也是國家太空中心的重要計畫。目前正在執行兩枚 B5G(Beyond 5G)衛星計畫,目前規劃 2025 可以發射第一枚;在研發上,衛星可以分成本體(Bus)與酬載(Payload)兩部分,對於臺灣首次自主發展通訊衛星,吳宗信表示,在衛星本體上,國家太空中心已經有一定的自製能力,「臺灣幾乎能百分之百自主研發了。」

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至於 B5G 衛星的酬載部分,例如通訊模組等等,則正與工研院資通所合作,並與產業界一同發展相關技術,也希望未來能達到高度自主的研發能力。

臺灣太空產業要升級,得先著手打造「環境」

為了國產衛星載具的目標,吳宗信在 2012 年於交大成立了前瞻火箭研究中心,但這些年來前瞻火箭其實經營的非常辛苦。過去幾年,前瞻火箭大約募得一億六千萬新臺幣,製造火箭的技術也達到能讓火箭在空中懸浮的水準,但這似乎已經達到學校單位能做的極限,若要繼續發展下去,在人、時、地、物的支援都需要有更大的規模,然而學校不是企業或是國家單位,學生有自己的前途,因此難以留住人才。

另一方面,很多大學研究室在做的東西,由於相對單純,需要控制的變因很少,可以相對簡單的透過改變某一個部分就能夠看到效果,同時也可能只需要幾個學生合作就能夠完成。但火箭與衛星可不是這樣,它需要數百人的團隊合作,而一個系統可能有一萬個零件,只要一個螺絲做得不對,整個系統就會失效。這樣的工作,沒有一個由全職工作者組成的團隊,是很難完成的。

也因為火箭研發在學界內缺乏資源及環境,今年 8 月甫接任國家太空中心主任的吳宗信,在「換了位置卻沒換腦袋」的情況下,轉換跑道繼續推動臺灣的太空產業發展,捲起袖子,誓言把臺灣的太空產業環境建立起來!

吳宗信(左)8 月接任國家太空中心主任;中為國研院吳光鐘院長、右為前代理主任余憲政。圖/國家太空中心提供

建立產業基石,是國家機關的重責

吳宗信表示,過去開發火箭跟很多廠商合作的過程中,他也將臺灣的產業掃過一遍,發現臺灣的太空相關產業鏈其實深度及廣度兼具,甚至有許多廠商原本就有接到歐美國家訂單生產太空相關零組件,只是基於保密協議廠商不能宣傳。

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那既然臺灣並非沒有發展太空產業的能力,以前為什麼不做呢?吳宗信說,就像是廣告中的一段經典台詞:「阿伯,失火了你怎麼不跑?」「啊腳麻是要怎麼跑?」由於沒有適當的發展環境與法規,很多事情就無法順利進行,像是不久前晉陞公司的飛鼠一號火箭在國內無法順利發射,就是實際的例子。

因此吳宗信認為,雖然國家單位的效率一定不比有生存壓力的私人公司,但國家卻能夠改善整體產業的發展環境,「就如同廚師要煮出好菜,也要先有廚房和爐具。」而在未來的太空產業中,廚師是民間廠商,那麼國家的角色就是幫忙把廚房準備好。像是目前完成立法的《太空發展法》、以及未來國家火箭發射場的設立等,就是建立太空產業發展基石的重要工作。

同時,與民眾、民代的溝通,也是發展太空產業非常重要的一環,吳宗信也提到,讓事情清楚透明,是讓大眾與民意代表從懷疑到支持的關鍵。

打造臺灣太空港:實現「南火箭北衛星」願景

隨著全世界太空產業的發展,未來也充滿不同的可能性,像是 SpaceX 有提出利用星艦(Starship)火箭系統,進行長程國際航班的構想,如同現代的港口與機場,未來臺灣可能會需要「太空港」來滿足各種火箭發射的需求。而太空港也會需要對應的後勤設施,並且可以結合太空產業科學園區,讓國內外的太空公司設廠製造火箭與衛星。

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另一方面,這樣的太空港也可以結合地方特色發展觀光,「說不定以後每個臺灣的年輕人成年禮,都可以去參觀火箭發射和國家太空博物館」吳宗信說道。

吳宗信也提出了「南火箭、北衛星」的構想,期許未來臺灣南部能成為火箭研發、生產與發射的重要基地,而北部則可以延續過去國家太空中心發展衛星的基礎,成為衛星發展重鎮。 

吳宗信指出,未來臺灣可能會需要「太空港」來滿足火箭發射的需求;圖為美國的甘迺迪太空中心,為 NASA 發射火箭的重要太空港。圖/Pixabay

投資太空不是豪賭,科研走的每一步都算數!

吳宗信表示,在太空產業發展上若政府願意帶頭出來衝,民間會有更多企業投入太空產業。

吳宗信說,過去臺灣在不同產業的嘗試,有半導體業的成功案例,但也有許多投入資源卻沒發展起來的產業。但投資本來就不可能穩賺不賠,也不能永遠固守既有的優勢產業。現在太空產業出現了機會,並不代表做了一定會成功,「但不做就完全沒有機會了。」

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另外,太空產業的發展最終不論是否能開花結果,投入資源訓練出來的人才、發展出的技術其實都能應用在不同領域。像是 1960 年代的美國,就因為阿波羅登月計畫所需,大力推動如 IBM 等民間電腦公司的快速發展,「科技就是這樣一步一腳印創造出來的。」

如果想要進入太空產業,可以怎麼準備?

跨領域合作在太空產業非常重要。吳宗信說明,在衛星方面,大約有三分之二與電機和資訊工程相關,而火箭方面,則是有三分之二與機械、材料與結構等等相關。因此對於有志在未來投入太空產業的學生,航太系會是很好的選擇,但很多理工科系也都與太空產業有關,職涯發展上不會因「非航太系」而受限。

吳宗信也鼓勵對於太空產業有興趣的大學生在本科系繼續學習的同時,可以在大三大四去修一些與衛星、推進等等課程,接著研究所再到國內外相關系所深造。

而職場的選擇,則要取決於自己想要「怎麼參與太空產業」,像是進入一家太空產業鏈上製造特定零組件的公司,也是參與太空產業的一種方式,而若是想接觸更完整的太空產業,則可以選擇到做系統整合的公司或是太空中心就職。

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火箭與衛星都是複雜的「系統工程」

火箭與衛星的研發製造,都必須整合很多不同次系統,是一門非常精密且嚴謹的系統工程。以火箭系統為例,推進、結構、航電、軟體、硬體和通訊等系統缺一不可,這些系統各自都是不同的專業,但系統間又要能完美的配合,若火箭上任何系統無法順利運作或配合,這支火箭就跟「沖天炮」差不多了。

而臺灣的大學科系目前在授課上較少有「系統工程」的規劃,每個不同專業的領域各做各的就像是一個樹林裡,「有些人種芒果,有些人種龍眼,每一群人都很擅長照顧自己的作物,但卻不知道樹林裡還有哪些水果。因此就需要有人開直升機從上往下看,看看到底有哪些資源,並且對其他領域稍微多懂一些,才能有效的整合。」

吳宗信強調,系統工程就是「不能見樹不見林,更要『見樹又見林』」。也因此,吳宗信也期待未來臺灣能有「太空系統工程」碩博班的設立,以培育更多產業所需的太空人才。

從打橄欖球到做火箭,那些同樣重要的事

訪談中吳宗信也分享自己在臺大時期是橄欖球隊一員,主打九號傳鋒[註]位置的吳宗信笑著說:「那時候我這個體格,在全臺灣高中以上的橄欖球員中應該就是我最輕,不到 50 公斤,但憑著快速靈活的身手,也能成為球隊中重要的一員。橄欖球很好玩,在倒地之前只能將球往後傳,一定要球傳下去,任何位置都很重要,我也在那邊學到很多團隊合作精神。」

吳宗信表示過去做火箭時,有好幾次測試中火箭摔在地上,甚至斷成兩截,面對不斷失敗產生的壓力,其實對身體及精神都是折磨,這些挫折也曾讓團隊懷疑過,自己到底要不要繼續做火箭?但就如同橄欖球場上的磨難,但當很多人一起做事時,就可以分工合作,克服很多困難與阻礙。

而不論是打橄欖球或是做火箭,吳宗信說,他很喜歡扮演「箍桶」(臺語:khoo-tháng)的角色,也就是木桶上的鐵環。因為有了箍桶將木片整合在一起,木桶才不會散掉,就像是系統工程中,要將不同次系統整合串聯一樣。

註解

  • 註 1:「傳鋒」是橄欖球隊型的九號位,在多數的比賽中,Scrum-half 擔任從前鋒群中接過球並傳給後衛的角色。他們善於團隊溝通,特別擅長指揮前鋒,主要目的是提供後衛群穩定俐落的傳球。
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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精準預測氣象的「掩星技術」,讓你知道颱風放不放假!
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・2021/11/16 ・2380字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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新颱風生成後,大家最關心的就是颱風的路徑、帶來的風雨大不大,以及——到底放不放颱風假?要能預測和評估颱風的走向影響,可靠的氣象觀測資料是不可或缺的。這就不得不提,在我們頭頂上認真執行觀測任務的人造衛星,以及它們身懷測知氣象變化的絕技!

每次颱風來襲,大家都關心會不會放颱風假。圖/pixabay

貢獻全球氣象資料,福爾摩沙衛星功不可沒

過去福爾摩沙衛星三號(福三)執勤十年,為全世界多個氣象中心與研究單位提供無以計數的資料,可謂台灣在國際氣象上的外交大使,於減少天氣預報誤差的貢獻度上,更曾被評為全球前五。福三榮退後,接棒的福爾摩沙衛星七號(福七)也在今年二月完成任務軌道的全部部署。福三和福七都不只有一枚衛星,而是由各 6 枚衛星組成的衛星星系(constellation)。每一枚衛星就像在不同位置巡守、收集氣象情報並互相通報的將士,使得觀測範圍可以覆蓋地球各個區域,提供即時而完整的三維觀測數據。

福衛七號結構示意圖。圖/國家太空中心

但福七與行經南北極的「繞極衛星」福三不同的是,它在南北緯 50 度間軌道繞行,主攻台灣、赤道與中低緯度颱風盛行區的觀測。因此福七可以提供密集度更高、更多的溫度、壓力、水氣等氣象資料。國家太空中心推估,它可提升氣象預報準度 10% ——以颱風為例,可以讓 72 小時的路徑誤差改善 10%,協助我們更精準地評估氣象變化與預防災害。

每日可提供 4000 點大氣垂直剖線資料、大幅提升全球氣象預報準確度的福七,究竟是怎麽辦到的?答案就是掩星技術 (Radio Occultation) 。

掩星技術,讓衛星成為太空中最精準的溫度計!

在天文學上,「掩星」指的是一個天體,在另一個天體與觀測者之間通過,產生的遮蔽現象。但英文中的「Occultation」,也可以指前景中的物體,阻擋遮蔽背景中任何物體的情形。而所謂的「掩星技術」,就是利用電磁波訊號在經過大氣層時,會因穿透不同溫度、壓力或濕度的空氣層,被「遮蔽」而產生轉向、變慢、減弱等的特性,來反演出地球上空之溫度、氣壓和濕度。

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衛星與衛星之間,本來因為地球的阻隔看不到彼此,但可以接受來自彼此的電磁波訊號。福七的主要酬載儀器——全球衛星導航系統無線電訊號接收儀」(TGRS),可以接受美國全球定位系統(GPS) 和俄羅斯全球導航衛星系統(GLONASS)全球定位衛星通過大氣與電離層的折射訊號。接著,通過計算電波訊號的偏折程度,就可以反演出大氣與電離層中的溫度、水氣、壓力、電子密度等數據。

掩星技術在 1995 年才開始投入應用,而從 2006 年的福三,到如今福七計劃中積累的研究經驗,使台灣成為這項新穎技術領域的佼佼者。掩星技術所得到的資料具備高準確度和解析度,也擁有不需要大量接收訊號的衛星,就可以得到大範圍數據、降低成本的優勢,不僅可以用作氣象預報,更能幫助我們監控和增進對氣候變遷的瞭解。

衛星加上同位素的助攻,可以使天氣預報更精準

另一方面,除了改善觀測一般氣象資料如溫度、濕度、大氣壓力等參數的準確度,在氣象觀測中新增測定不一樣的參數——如大氣水分子的同位素,也可以讓我們的天氣預報更精準!

過去礙於資料的取得有限,同位素分析在氣象觀測與預報中常被忽略。但近年來人造衛星技術的發展,為氣象科學推開新的一扇窗。來自歐洲太空總署、搭載光譜分析儀的衛星 IASI ( Infrared Atmospheric Sounding Interferometer ),讓東京大學的研究團隊,可以利用其所搜集到的大氣水氣資訊,在氣象預報的模型中,第一次嘗試納入同位素資訊的考量來做分析。

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我們都知道,擁有相同質子數、不同中子數的氫與氧元素之同位素,會讓個別水分子的重量變得更重或輕一些。水分子同位素對氣相和液相轉換相當敏感,與一般的水分子 H2O 相比,較重的水分子如 H2HO 或H218O 會更傾向於凝結成水珠,或更難蒸發。因此蒸發與降雨過程等大氣運動,便會影響不同同位素水氣分子的分佈。追蹤它們的行跡,能增進我們對氣象系統的瞭解。

研究團隊以 2013 年在日本發生的低壓事件作為參照,發現納入同位素的數據之後,氣象模型能更好地模擬這次事件的整體氣壓情形。而在全球的尺度,尤其是中緯度及北半球地區,融合同位素資訊後,氣象預報如氣溫及濕度預測的準確度,也都有所提高。雖然這只是初步的探究,但科學家期許,未來進一步完善氣象觀測衛星對同位素資料的收集,能使人類更往精準氣象預測的目標邁進。

人造衛星就像是科學家的千里眼,能觀測千里之外的風雲變化。發展衛星技術,不僅能讓我們更精準預測氣象,在全球化的現代,也能在國際上發揮「Taiwan Can Help」及互助的精神;各國對航太技術的投入與數據資源共享,更是科研工作與人類社會的一大福音。

福爾摩沙衛星拍攝的美麗福爾摩沙島。圖/國家太空中心

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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。