飛向太空
92/03/19
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康哲行｜
行政院國家太空計畫室
林進雄｜
行政院國家太空計畫室
李羅權｜
中央研究院院士／地球科學研究所特聘研究員
國家太空計畫室成立已經十周年了。猶記得十年前，我國從無到有、篳路藍縷地把太空計畫在臺灣建立起來。過去十年，我們辛苦耕耘的結果總算沒有白費，我們已有一些傲人的成果可以呈現在國人面前。
就在四年多以前，我國自立發展的科學衛星–中華衛星一號（簡稱華衛一號）裝載著由國內各大學推薦發展的三項科學儀器，在國人的期盼之下順利升空。四年來，華衛一號不負眾望地持續運轉，從三項科學儀器所收集到的衛星資料傳回地球後，造就了多項輝煌的科學研究成果。
配合華衛一號的發展，太空計畫室也建置了衛星整測廠房及衛星地面設施等硬體設備。華衛一號就是從我們全新建置的衛星整測廠房裡誕生的，升空後又由我們新建置的地面設施，包括衛星任務操作中心及在中壢及臺南的兩個地面站，負責軌道操作及衛星資料收集的工作。這些硬體設備在不斷地增新及擴充之下，將進行後續中華系列衛星的組裝測試及衛星任務操作等工作。
我國首期的十五年太空計畫包括三項衛星計畫，除了已完成四年科學任務仍持續運轉的華衛一號外，正在進行中的尚有華衛二號和華衛三號計畫。另外，在原規畫之外的還有「蕃薯號衛星計畫」，已於二○○二年年初由國人一手完成衛星的製造和測試。未來華衛二號、三號及蕃薯號衛星的升空，將更加提升我國衛星科技的能量，並帶動國內太空科學廣泛的研究興趣。
中華衛星一號–飛向太空的里程碑
華衛一號科學衛星，於一九九九年一月二十七日，載著國人的夢想飛向太空，是臺灣航太科技進駐太空的里程碑。華衛一號有五項衛星本體元件及一項通訊實驗酬載元件是在臺灣製造的，這些元件都是衛星中具有特殊功能的組裝件。經由這些衛星元件的研發，使臺灣也能建立起自己的太空工業基礎。
華衛一號是距離地球表面六百公里的低軌道衛星，上面載有三項科學儀器（或稱科學酬載，Science Payload），分別是觀察海面生態環境的「海洋水色照相儀」、進行高空地球物理實驗的「電離層電漿電動效應儀」，及測試高頻率Ka頻段（一萬八千兆赫到四萬兆赫）通訊性能的「通訊實驗酬載」。
四年以來，華衛一號順利地運轉，由臺灣各大學研究人員所組成的三個科學團隊，對於衛星所測得的各項科學資料都進行了詳盡的科學研究，已有超過190篇的論文在國內外各種科學期刊及學術專刊發表，深受國際重視。
截至二○○二年十二月底止，設在國立臺灣海洋大學的海洋水色照相儀科學團隊，已製成了超過五千張的海洋水色影像，應用於海洋學的研究。海洋水色照相儀並在二○○一年五月及二○○二年三月，從黃海地區拍攝到由戈壁大沙漠及華北黃土高原吹襲而來的大陸「沙塵暴」。沙塵暴是每年三月到五月在大陸發生的夾帶著浮塵、沙礫，使水平能見度降低到一至十公里以下的狂風。海洋水色照相儀成功地捕捉到大陸沙塵暴擴散到黃海的現象，同時提供了臺灣地區空氣品質與環境污染的預警功能，也增加了海洋水色照相儀的另一項用途。
由中央大學研究人員組成的電離層電漿電動效應儀科學團隊，除了利用在衛星上所測得的電離層資料，分析了電離層在赤道區的異常現象外，更進一步觀測到由太陽磁暴影響所造成的電離層內密度極低的「離子洞」。離子洞的存在會造成對該區域衛星電訊信號的干擾，嚴重影響地面的收視效率。
在二○○○年七月十四日的巨大太陽磁暴事件發生後，大量的太陽表層物質以極高速被拋射出來形成「太陽風」，數日後太陽風抵達地球時即造成地球電離層密度不正常分布的現象。科學團隊分析觀測資料後，成功地發現位於巴西上空僅有外圍密度百分之二的低密度離子洞，創下了首次利用人造衛星觀測到離子洞空間結構的新紀錄。
由成功大學及清華大學組成的兩個通訊實驗科學團隊，利用固定式及移動式地面站，進行了地面站與衛星間以Ka頻段傳送及接收數位電視訊號、影像、及語音等測試。另外，由於Ka頻段衛星訊號會因下雨而減弱或扭曲，中央大學科學團隊也進行了Ka頻段訊號雨衰減的量測，這些資料都已經引起通訊業界廣泛的興趣。
華衛一號達成四年既定的科學任務之後，仍在順利運轉，證明華衛一號包括國產元件的設計和製作都在水準以上。華衛一號目前健康情況良好，預期還能再運轉 2 ~ 3 年。未來的計畫可能利用華衛一號進行一些不同的科學實驗，那將是華衛一號額外的豐收，我們拭目以待。
中華衛星二號–巨眼的二郎神
「西遊記」中的二郎神楊戩是唯一能戰勝齊天大聖孫悟空的天神，二郎神的特徵就是在兩眼中間另有一隻千里眼巨眼，由天庭就能看到地面的一切。目前正在新竹太空計畫室整合測試廠房進行測試的華衛二號，裝置有可觀測到地面兩米大小物件的遙測鏡頭，正是有這個能耐的高解析度遙測衛星。
華衛二號預定的軌道高度離地面 891 公里，仍屬低軌道衛星，每日將經過臺灣兩次，分別於早上十點及晚上十點。華衛二號除了每天早上進行臺灣本島及附近海域的遙測任務外，也兼具在晚上觀測高層大氣閃電的科學功能。華衛二號裝置全世界第一套科學儀器，進行觀測近年來才發現的高層大氣閃電現象。
華衛二號的主要任務是擷取臺灣陸地及附近海域即時的衛星影像資料，以做為土地利用、農林規劃、環境監控、災害評估、科學研究、及科學教育等相關的民生與科學用途。
隨著未來幾年商業遙測衛星數目的增加，預期衛星遙測的相關應用工業將在國內蓬勃發展。臺灣現正面臨經濟快速成長所衍生的土地利用變遷，和夏季颱風所造成的天然災害等問題。每當天然災害發生後，衛星遙測資料的適時性就非常重要。當我們有了自己的遙測衛星，就可以對經常發生於臺灣的天然災害做事先的預防，以及第一時間的應變和處理，使災害的損失減至最低。
華衛二號的科學任務是搭載一個具有先進技術的攝影儀，專門捕捉所謂「紅色精靈」的高層大氣閃電現象。一般由地面所見的白色閃電，都是帶電雲團向下放電的結果，而紅色精靈卻是帶電雲團從高層大氣向上釋放紅色閃電的奇特現象。華衛二號的紅色精靈科學實驗，將使臺灣在這項研究上居於世界領先的地位。
為了準備華衛二號的科學任務，科學團隊先在地面上進行了紅色精靈的觀測。在二○○一年六月，成功大學科學團隊成功地從物理系館樓頂拍攝到在西太平洋上空由海上雷雨系統所產生的紅色精靈（距離約 200 公里），這是第一次從城市中所拍攝到的紅色精靈影像。
成大科學團隊於二○○二年七月二十二日夜間，由墾丁地區往 500公 里外呂宋海域上方觀測時，發現另一奇特的閃電現象。這是一種屬於藍光波段的閃電，於一九九四年首度發現後即命名為「藍色噴流」。藍色噴流和紅色精靈同樣是雲頂與電離層間的放電現象，但二者的光譜明顯不同；一為藍光而另一為紅光，且藍色噴流持續發光的時間是紅色精靈的 20 倍。另外，藍色噴流是從雲層向高空噴出，最高的發光部分約在 70 公里高的電離層，而且在上半部的發光體逐漸轉暗時，下半部的噴流持續上升到約 50 公里高處才慢慢消失，這與紅色精靈僅在高空發光但沒有噴射的現象完全不同。
華衛二號衛星本體的結構體係在國內製造，已於二○○二年年初完成測試及驗收。由華衛一號到華衛二號的發展過程，太空計畫室累積了甚多設計經驗；尤其是結構次系統的衛星結構體，我們已經做到從設計、分析到製造、測試的一貫作業，都由國人自力完成。
目前華衛二號衛星本體和遙測儀器及紅色精靈攝影儀已完成整合工作。整合後的華衛二號將於二○○三年中進行一連串包括性能及太空環境的嚴格測試，然後於二○○三年年底前發射升空。
中華衛星三號–太空中的天門陣
中華衛星三號計畫係中美合作的微衛星計畫，華衛三號是由六顆 70公斤微衛星級衛星所組成的 700 ~ 800 公里低軌道星系。此星系將建立環繞地球的全球氣象量測網，正像在太空中布下的「天門陣」，如天羅地網般地嚴密監控全球天氣的變遷，以進行準確的全球氣象預報。
華衛三號以六顆微衛星組成的星系涵蓋全球，其主要任務是進行全球氣象預報、氣象變遷研究及電離層動態監測。星系的六顆微衛星將跨越大幅度的陸地和海洋面積，合計可提供每日 3,000 個觀測點的大氣及電離層特性資料；而目前現有的地面探測站僅能提供每日 900 組的大氣資料。相較之下，華衛三號的微衛星星系可以每三小時提供一次即時氣象資料，且能同時涵蓋陸地及海洋區域；所獲得的氣象資料將遠優於目前以施放探空氣球為主的地面氣象探測。國際著名科學期刊《自然》（Nature）於二○○一年五月亦曾顯著報導華衛三號的重要性，廣獲國際科學界的注目。
華衛一號、二號都屬於 100 ~ 1,000 公斤級的中小型衛星，而華衛三號屬微衛星級，每顆衛星僅重 70 公斤，約為華衛一號的六分之一及華衛二號的十分之一。未來的衛星發展趨勢是朝體積小、造價低的方向進行，所以華衛三號及其後續發展的微衛星是符合世界潮流的。
華衛三號圓餅狀的設計，是為了六顆微衛星可以折疊成圓柱狀，同時置於發射火箭頂端的酬載艙內。於是，一次發射任務即可將六顆微衛星帶到預定釋放的高度，再陸續將每顆微衛星釋放並置於不同的軌道面。每顆微衛星於釋放後，再由地面的操作中心控制，逐漸提升到預定的高度。微衛星星系的軌道布置要求所有微衛星有效地涵蓋整個地球表面，屬於高難度的技術；太空計畫室於華衛三號升空之後的後續操作中，將能夠學習到並掌握這項技術。
華衛三號已於二○○二年春季開工設計，將有十四項衛星元件在國內製造，遠超過華衛一號和二號的國產元件數目。除了首顆微衛星的飛行體在合約商處組裝並測試外，其餘的五個飛行體都將於太空計畫室整測廠房中，由國內工程師自力完成組裝及測試。
華衛三號六顆微衛星的星系預定於二○○五年發射。華衛三號計畫的完成，我國將獲得寶貴的微衛星設計製造及星系部署經驗，各型衛星的組裝和測試經驗也將更趨成熟。十四項國產元件的完工，將使衛星相關科技更全面化，並開創國內太空工業發展的新紀元。
蕃薯號衛星–五臟俱全的小麻雀
「蕃薯號衛星」是由太空計畫室結合國內研究機構、大學及企業界共同參與研發的第一枚皮級衛星（Pico-Sat.）。蕃薯號的體積跟一顆蕃薯差不了多少，是你可以放在手掌上，一手掌握的袖珍衛星。但是，不要看它塊頭小，小得像個玩具，它可是五臟俱全的小麻雀。大型衛星上使用的一些維持衛星功能的重要元件，以及和地面站聯絡用的類似人體感官的各種感應器，蕃薯號可是一樣也不缺，只是性能比較單純，體積比較迷你而已。
蕃薯號衛星是每邊十公分的正立方體衛星，重量僅 857 公克，任務壽命為一個月，設計壽命為兩個月，軌道高度為 600 ~ 650 公里。衛星的科學儀器為應用微機電技術發展的微光譜儀，此儀器可以量測大氣層對太陽可見光譜的散射量，以進行大氣成分分析的實驗。
蕃薯號衛星的設計、分析、製造、組裝、測試及操作，皆由太空計畫室主導完成。蕃薯號衛星的製作，提供了多項國產元件太空驗證的機會，例如太陽能晶片、電池、電磁線圈、微控制器、記憶體晶片、機械結構及微光譜儀等，都是由國內廠家及研究機構提供。最後，組裝完成的蕃薯號衛星在太空計畫室的整測廠房進行了極嚴格的動力及熱真空測試，以保證衛星各次系統的製作技術及性能都合乎太空級的品保要求。
蕃薯號衛星計畫開始於二○○一年四月，已於二○○二年三月完成組裝及測試的工作，預計於二○○三年和其他美、日等國設計的皮級衛星共同搭載俄國火箭發射升空。
蕃薯號衛星計畫的運作已給國內科研界帶來極大的衝擊，繼續蕃薯號衛星的研製，國內已有成功大學和中央大學，都將在太空計畫室的協助下發展他們自己的皮級衛星。在可預見的未來，我們會看到衛星基礎科技在臺灣的蓬勃發展。衛星基礎科技在島內的深植，將有助於我國太空計畫進一步達到百分之百自主發展的目標。
衛星整合測試廠房–中華系列衛星的搖籃
位於新竹科學園區內的太空計畫室「衛星整合測試廠房」，是中華系列衛星的搖籃。目前遨遊天際的華衛一號就是從這裡誕生和成長，最後在這裡完成發射前的測試準備工作。
這裡的衛星整合測試廠房是國內唯一符合衛星整測標準的廠房，於一九九七年開始運轉並正式啟用，順利完成了華衛一號本體及酬載的整合與測試。未來的華衛二號及三號，都將在這裡完成衛星相關的整合與測試工作。
衛星整合測試廠房是一棟兩層樓的建築，從二樓內部的巨型展示窗，即可看到廠房中央兩層樓高的挑高區，衛星本體的組裝、酬載儀器的整合及整個衛星的測試都在這裡進行。為了防止衛星在測試時被污染，挑高區具有極高潔淨度，內部可說是一塵不染，工作人員要經過嚴格的清潔處理並穿著防塵衣帽才能進入挑高區內。
挑高區的右端是動力測試區，裡面裝置了質量特性測試、音震艙與振動平臺等機械類測試設備。中央是熱真空測試區，裝置有可測試整個衛星的大型熱真空艙，及可測試衛星元件的小熱真空艙，本區也裝置有電磁干擾與相容測試設備。挑高區的左端是衛星組裝整合區，內有潔淨度為一般挑高區十倍的特高潔淨度帳篷，華衛二號各元件及酬載儀器的組裝，即視潔淨度的需要，分別在這些帳篷內進行。
衛星五項主要測試中最重要的就是「熱真空測試」，熱真空艙內的測試環境模擬了太空中幾乎沒有空氣的真空狀態。艙內設置有液態氮的冷壁及加熱器，二者混合使用即可模擬衛星在向陽與背陽狀態下不同溫度的太空環境。
衛星組裝與整合測試為太空計畫室發展自主能力的關鍵技術，其目的為保證中華系列衛星在飛行中都具有最高的可靠度。華衛一號系統整合測試的成功，驗證了太空計畫室整測團隊已具有獨立進行小型衛星整合測試的能力。華衛二號和三號計畫的執行，太空計畫室將負責自元件程序起的組裝整合，以及進行各項完整的環境與功能測試。預期華衛二號和三號相繼升空後，太空計畫室除了具有衛星整合測試的自主能力外，並具有承接國內外小、微衛星整合測試的能量。
衛星地面任務操作–星際飛行鏡頭的重現
如果你去過「迪士尼樂園」的太空飛行區，你就能看到星際飛行操控室的實體模型。位於新竹太空計畫室十樓的衛星任務操作中心，正是星際飛行操控室的重現。你可以想像各型星際飛行器正在太空中盤旋飛舞，而這裡正是星際飛行器的控制中心。
當初是為了華衛一號的地面操作而設立了衛星任務操作中心，操作團隊是由太空計畫室及四家國內廠商人員組成。經過四年來華衛一號的實際操作，團隊人員已獲得廣泛的衛星操作及維護經驗，這些經驗將有助於未來華衛二號及三號的地面操作。
太空計畫室有兩個分別位於臺南與中壢的地面站，做為與衛星上傳和下傳通訊之用。華衛一號每天六次將所蒐集的資料傳送給地面站，再彙集到新竹的任務操作中心。如在緊急狀況下，位於印度邦加羅爾與非洲模里西斯的兩個海外地面站會對臺灣的地面站予以支援。
為符合華衛二號與三號的任務需求，太空計畫室已著手將任務操作中心升級為「多重任務中心」，並增設及加強地面接收系統，以便能同時操作數個衛星。在太空計畫室財團法人化之後，多重任務中心及具有四年以上實作經驗的衛星操作團隊，將是我們積極爭取國際合作及步入商業服務市場的利器。
國產衛星元件–臺灣的驕傲
中華衛星計畫是我國長期性發展的太空計畫，從華衛一號計畫開始，太空計畫室即決定由國內廠商發展主要衛星元件，以建立我國太空工業基礎。
由於我國過去並無太空科技基礎，中華系列衛星的華衛一號、二號和三號的計畫，都是委託國外廠商製造衛星本體及酬載儀器。但對於每個衛星計畫，我國都政策性地選擇部分屬於我國強項的衛星元件在臺灣製造，我們稱之為「國產元件」。這些國產元件的發展，使臺灣能夠實質地從零到有建立起我們自己的太空工業，這才是臺灣的驕傲。
國產元件的研發也提供了國內廠商進入太空工業的契機，及提升技術能力與品保水準達到太空規格。藉由製造太空級元件技術的衍生效益，更使太空科技能夠廣泛地應用於一般商用產品。
目前，華衛一號的成功運作已圓滿達成國產元件預期的首段目標。華衛二號及三號計畫的國產元件項目已較華衛一號增加，後續的中華衛星計畫將持續貫徹國產元件政策，逐漸提升我國衛星本體、酬載儀器及元件的自行研發和製造能力，而以具備承接國內外衛星計畫的實力為最終目標。
華衛一號有五項元件由四家國內廠商負責開發，五項國產元件皆發展成功，獲得主合約商的認證並實際應用於華衛一號。四年以來，華衛一號仍持續運轉，此五項國產元件皆表現出優異的太空飛行性能。
華衛二號有六項國產元件，由六家國內廠商負責開發與研製，均已通過主合約商之驗收並安裝於衛星本體之內。其中華衛二號主結構體係由太空計畫室設計／分析，漢翔及臺翔公司合作製造。
華衛三號係由太空計畫室和美國大學大氣研究聯盟合作開發。做為臺美合作計畫的一部分，五家以上的臺灣廠商將於技術轉移安排下，負責十四項中華衛星三號本體元件的研製。
目前各國產元件參與廠商皆已建立製造太空規格的相關國產元件能力。在國產元件的研發過程中，已從國外廠商學習到各項元件的特殊設計、製造、組裝、測試等技術，同時也學習到太空級的計畫管理、品質保證、物料採購及製程規範等專業技術知識。因此，各國產元件廠商均能圓滿達成自國外先進衛星廠商技術轉移國內的任務。另外，各廠商的對外形象也因國產元件的發展而大幅提升，奠定日後進軍國際市場的基礎。
太空科技的未來
我國太空科技的未來發展有兩個目標：
建立獨立自主的衛星科技：以太空計畫室為核心，整合產業界、學術界、研究機構等太空科技團隊，發展國內自主設計製造的衛星。太空計畫室將維持核心技術團隊，並逐漸將技術能力轉移至相關的民間產業，以擴展計畫成效，並以發展獨立自主的衛星科技為目標。
成為世界太空科技的重要成員：歷經十年的發展，我國太空科技的自主能力已獲致成效。未來的衛星計畫，將以提供政府相關單位即時的衛星資料，並使我國由衛星資料使用國升級為衛星資料輸出國為目標。產業界則經由衛星元件國產化的落實，擴大參與，並以國際合作等方式爭取商機，促成國內太空產業的建立。學術界則經由實際參與國際尖端科學研究計畫，提升我國太空科學研究達世界一流的水準。 在十年來的努力下，太空計畫室已成為世界太空領域重要的成員之一。
