立方衛星是一種以標準尺寸和外形打造的奈米衛星。
要快、要好、還要便宜，做得到嗎？立方衛星就做得到！憑藉其低成本、易設計等優勢，吸引許多臺灣廠商積極投入，成功大學航空太空工程學系團隊也曾與張量科技公司合作，獨創「球型馬達」，發展姿態和軌道控制系統，提升立方衛星的功能與準確性。去年（2023 年）底，鴻海更以自研發的「珍珠號」衛星搭上 SpaceX 的「獵鷹九號」前往太空。
上太空之後，任務才開始。小小的立方衛星要高效率採集數據，就得在有限的工作壽命、電力裡，精準調整姿態與軌道，來滿足又好、又快、又便宜的要求。
我們邀請國立成功大學航空太空工程學系李約亨教授，分享立方衛星的姿態和軌道控制之祕，介紹節省實驗開銷和時間成本的「代理模型」，也談談臺灣如何妥善運用研發底蘊，在全球立方衛星市場上持續占有一席之地！
衛星為何要做姿態和軌道控制？
立方衛星（cube satellite），是一種以標準尺寸和外形打造的奈米衛星（nanosatellite）。「相較於其他人造衛星，體積較小、重量較輕，因此發射成本也低，還可以根據任務需求組裝、疊加。」成功大學航空太空工程學系教授李約亨補充。然而，單一立方衛星也不過就是 10 cm × 10 cm × 10 cm 的立方體，如此小巧也讓可攜帶的電力受限。「這對衛星在太空軌道上的壽命產生挑戰。」李約亨如此說道。
首先，包含人造衛星在內的所有航太裝置都需要姿態調整；不只衛星本體的穩定度，天線指向的位置是否方便與地球通訊、可否精確採集數據、面向太陽的位置能不能做好熱控制，甚至引導推進的方向⋯⋯這些都與衛星的姿態有關。至於軌道控制，則是確保衛星能駕馭引力，穩妥地運行著。
這類「姿態與軌道控制系統」（attitude and orbit control systems, AOCS）經常用在衛星星系（satellite constellation）當中。有鑒於單一人造衛星無法永久性地覆蓋全球範圍，由多顆衛星所建構的衛星星系應運而生。「目前的衛星星系，諸如美國『星鏈』（Starlink）與英國『OneWeb』，每一顆衛星都配載著這樣的系統。」AOCS 除了能有效控制每顆衛星的運作，也可避免它們彼此碰撞。
詳細來說，AOCS 是由以下功能各異的裝置組成：
在這些裝置的共同合作下，就能達到監測以及調整衛星姿態和軌道的目的。
當前立方衛星的動力來源，誰是主流？
運行在軌道上的衛星，面臨「引力」這個主要阻力。為了延長衛星的「在軌工作壽命」，動力系統不可或缺。李約亨教授接著說明：「目前常用於衛星的動力系統包含冷氣體推進系、化學推進系統與電力推進系統，其中適用於立方衛星者以電力推進系統為主。」
電力推進系統根據推進模式又可分為「脈衝式」與「連續式」。「脈衝式可以提供較精準的推力脈衝，做到衛星的姿態微調，不過推力較小，主要有脈衝電漿推進器（pulsed plasma thruster）和真空電弧推進器（vacuum arc thruster）；連續式則能提供穩定且功率較大的推力，最著名的就是離子推進器（ion thruster，又稱離子引擎）與霍爾效應推進器（Hall effect thruster）。」（圖一）
圖一：由李約亨教授所在研究團隊發展的電力推進系統。圖片來源：李約亨教授提供
從脈衝式與連續式推進系統的本質不難看出，若衛星系統需要穩定、長時間運作、功率相對大以及可充電的推力系統，連續式系統毫無疑問是首選。但連續式的選項裡，誰又是最理想的呢？「相同電力條件下，離子推進器的推力比霍爾效應推進器小。不過，若考慮衛星負載限制，離子推進器較高的燃料利用率和比衝值（每單位質量所產生的推力持續秒數）成了極大優勢。」
三大組成，認識離子推進器
離子推進器是用電場加速帶電粒子，使帶電粒子從同一個方向射出，射出的反作用力會推著物體前進。但這些帶電粒子會因為電性相同產生斥力等原因，讓帶電粒子回到推進器中，使推力減弱，因此得在帶電離子射出後，提供相反電性的粒子進行中和，讓帶電粒子不會跑回推進器中。
簡單來說，離子推進器的運作有三個部分：
圖二：離子推進器工作原理。圖片來源：李約亨教授提供
那麼，這些作為推進劑的氣體，是如何電離成電漿的？李約亨教授解釋：「方法有很多種。目前我們團隊用的是射頻電離法（radio frequency，簡稱RF），也就是利用射頻產生器將射頻導入推進器的腔體，然後誘發產生電漿。這些電漿離子會被接下來的電網層吸引。」
而在電離之後、加速之前，離子推進器還設了一道關卡，通常是三層電網組成的：
至於中和裝置，李約亨以典型的「中空陰極管」（hollow cathode）為例說明：「它會釋放電子，然後與離子推進器的羽流（plume，從裝置中被釋放出來、以各種帶電原子組成的流體）進行中和，確保電荷守恆。」（圖三）
圖三：由李約亨教授所在研究團隊發展出的中和裝置「輝光放電中和器」（glow discharge neutralizer）與「中空陰極管」。圖片來源：李約亨教授提供
代理模型？代理了什麼，如何代理？
看完衛星的姿態與軌道調整需求，對其動力來源有初步理解後，就要來思考衛星與推進系統研發的實務難題——成本。「推進劑燃料非常昂貴。以離子推進器為例，氙氣是一種非常稀有且昂貴的推進劑，十幾公升的高壓氙氣氣體鋼瓶索價高達數百萬，長時間運作下來實驗花費相當可觀。只是，以電腦模擬電力推進器內部的運作情況，又極度耗時⋯⋯」李約亨教授感嘆。
在極其有限的預算和時間面前，一種只要輸入／輸出資料便能構建出數字或數據的技術——代理模型（surrogate model）——應運而生。「透過具系統性和目的性的實驗參數擷取，我們把實驗資料放到代理模型裡做訓練，最終透過它的運算來準確預測實驗結果。」李約亨教授指出，以代理模型優化系統，將能減少大規模且重複之實驗所衍生的成本。
「假設我們在柵極電壓 500 ~ 2,000 伏特、流量為 1 ~ 5 sccm（標準狀態下每分鐘的毫升流量）、射頻能量為 10 ~ 30 瓦的研究條件下進行系統性的實驗取點，再將大約落在 0.1 ~ 2.2 毫牛頓（mN）的推力結果放到代理模型裡做訓練，就可以瞭解電壓、流量、射頻能量與推力之間的關係。」李約亨教授代入案例：「如果好奇在柵極電壓為 1,500 伏特、流量為 1 sccm、射頻能量為 35 瓦下的推力結果，就只需將條件輸入到模型裡即可推測出推力預測，大幅簡化實驗過程。」
除了衛星，代理模型也能應用於其他面向。
從本質比較接近的飛機設計來說，「代理模型能用來預測不同機翼形狀、引擎配置和操縱表面設計對飛機性能的影響，幫助工程師快速評估最佳設計選項。」而在管道設計、風力發電、汽車外形等涉及流體力學模擬的領域中，代理模型也可「預測流體行為、速度和壓力分布。」在大型交通與裝置研究外，工程結構分析也從代理模型獲益良多。像是「預測結構材料的應力、變形和疲勞行為，進而評估結構的安全性和性能」，都能在建築物、橋梁工程和船舶設計上有所發揮。即使是近年話題正熱的機器人控制或無人駕駛車輛等，和控制系統設計有關的產業，也都能藉此建立系統的數學模型。整體而言，代理模型可謂是相當泛用的工具。
臺灣如何持續在衛星市場發光發熱？
自 2003 年臺灣首度發射立方衛星，過去 20 餘年已有越來越多團隊加入設計和製造的行列。衛星相關零組件的技術與低製造成本，曾一度被視為未來太空產業的成長關鍵，而臺灣也在這方面挾著卓越的研發力，為 SpaceX 公司生產過相關地面設備。
未來，臺灣在立方衛星市場應注重什麼樣的發展面向，才能持續發揮對全世界的高影響力？李約亨教授表示，技術創新與研發還是最關鍵的，「包括負載技術、通訊技術、太空材料與能源管理，如此提高立方衛星的性能與功能，才能在市場上保持競爭優勢。」他也提到尋求國際合作和人才培育的重要性：「臺灣有半導體科技和精密機械加工等量能，應與國內廠商積極尋求國際合作夥伴、參與國際級計畫；除了擴大市場規模，也能借鑑他國先進技術和經驗，加速產業發展。另外，打造更多專才，也可促進產業生態系統健康發展。」
隨著奈米衛星市場的熱潮持續燃燒，李約亨教授認為市場定位與服務拓展值得深思：「開發具有差異化競爭優勢的立方衛星產品和服務之餘，也還是要積極拓展國內外市場，尋求更多商業上的可能性。」此外，法規和政府政策的支持也須並進，「並提供資金支持、稅收優惠與技術指導，營造良好的發展環境和氛圍，鼓勵企業與科研機構參與立方衛星發展。」
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