2017年8月25日發射升空的福爾摩沙衛星五號上，首度搭載一具由國人自製的的科學酬載「先進電離層探測儀」。由於探測器的外型像魔術方塊，又被暱稱為「太空魔方」。在重量、體積、耗能、擺放位置等限制下，激發研究團隊設計出獨步全球的多合一電漿量測儀器，在時程內通過各項嚴苛的太空環境考驗。該儀器可分時量測完整且精準的電離層電漿參數，又具備超高取樣能力，肩負我國自主太空天氣與地震前兆的前沿科學任務。在歷經三個月的早期軌道測試與一年多的例行觀測後，不負國人期盼，我們即將開放科學資料，提供全世界的科學家使用。

 

講演綱要（撰文｜孫維新）

 

11月16日（週五）晚間的第二場秋季展望演講，由國立中央大學太空科學研究所趙吉光所長擔綱，趙所長以「太空魔方─先進電離層探測儀」為題，刻畫參與太空計畫的歷史軌跡。這段為我國太空科學發展而奮鬥的歷程，像是走進臺灣太空科技的時光隧道。以在地深耕的太空酬載經驗，創造出的臺灣價值與實績，不只為臺灣社會驕傲，也讓世界看見他們的踏實與努力，用進步且成功的科學儀器，為地球村的每位成員付出！

 

趙教授將自身經歷簡分為啟蒙（福衛一號、探空五號）、成長（探空七號、探空九號）、茁壯（福衛五號），與展望（立方衛星）。趙教授從學生時代到教書階段都待在中央大學，三十年沒離開母校的他笑著說，他的專長領域包含太空酬載、環境測試，和電離層物理，雖以電離層物理研究為重，但指導的學生都把目標放在太空酬載，沒有一位願意作電離層物理。什麼叫「酬載」呢？「酬載」指的是飛行器或發射載具的運載內容，通常以重量衡量。趙教授以運載火箭為例，它的酬載就是上頭的衛星和太空船。若以衛星或太空船為例，則是科學儀器與設備。

 

除了福衛五號上的「先進電離層探測儀」（俗稱的「太空魔方」），趙教授參加過非常多探空火箭與衛星計畫，包含福衛一號、探空三號、探空五號等。他在陳述細數的同時，也好奇的問：大家是否注意到這些計畫都是「奇數」？因為奇數是留給中央大學的，偶數是其他單位。實際上，中央大學在我國探空計畫中只有一號沒有擺上校徽，可見其在整個計畫積累出的貢獻。其中的探空五號，趙教授強調他們開始著重設計，那時與日本合作。因國內在初期並沒有這樣的自製能力，經過一連串計畫的學習，才有了今日亮眼的技術和成績！

 

在談到福衛五號前，趙教授從1999年發射的福衛一號說起，這個科學實驗衛星上安裝了他們的「電離層電漿電動儀」（IPEI）。趙教授指出儀器配有四個探測器，包含離子捕獲儀、阻滯電位分析儀、兩個離子流向儀（一個垂直方向、一個水平方向）。當時的計畫分工中，中央大學主要負責的是資料的處理與分析，提供外界可以進一步應用的科學資料。趙教授也提到，這次計畫讓他們體悟研製能力的重要，因為要獲得卓越且獨特的科學成果，技術能力無疑是必備條件。這個想法促使他更把握機會－在探空五號上設計離子探測儀。

 

然而這樣的設計要如何進行、如何安裝到火箭上、又是否能夠通過各種測試？當時的他們是完全沒有概念的，於是他們與日本教授進行合作，最後透過中科院將儀器發射，一步步完成計畫。計畫中的離子探測儀主要針對特定的電離層不規則體（離地82到282公里高度之間太空環境的電漿密度與離子溫度），同時利用探空火箭（量測電漿密度與離子溫度垂直分布）、地面雷達（定出不規則體位置及三維結構，並觀測漂移速度），以及人造衛星（觀測氣輝）共同觀測。

 

經歷過「啟蒙」到「成長」的階段，趙教授逐漸認識到如何研發儀器，訂立以研發酬載為基礎目標，包含設計、分析、製作、校正、測試、資料處理等能力的建立。在進一步的探空七號上，搭載的科學酬載包括：兩個離子捕獲器、一個阻滯電位分析儀、一具電漿探針，並搭配姿態量測計與全球定位儀，科學酬載的量測參數包括：電離層電漿密度、離子溫度、電子溫度、火箭飛行位置與姿態、地球磁場向量，進行電離層電子密度與電漿不規則體的聯測。趙教授介紹了非常多相關儀器，強調希望能夠在實驗室監控所有環境條件。而後的探空九號科學酬載包括：「電漿阻抗分析儀」及「電漿探測儀」，這些酬載以及地面的「電離層偵測雷達系統」都由中央大學主導研發。

 

進入「成長」後，也就是這次演講的主題－福衛五號的先進電離層探測儀（AIP），發展目標由探空火箭酬載轉為衛星酬載。福衛五號有兩個酬載，分為任務酬載和科學酬載，前者為太空中心的「光學探測儀」，後者則是中大研發的「先進電離層探測儀」。這項計畫的挑戰在於如何研究衛星級的科學酬載，包含質量需小於五公斤、用電小於五瓦特、安裝位置、甚至是經費、期限，和人力等，希望有創意且創新地量測所有電量參數。

 

先進電離層探測儀首創以單一探測器，以分時的方式，量測完整的電離層電漿特性（如：離子密度、離子速度、離子溫度和電子溫度等），同時以最高取樣率量測電漿不規則體細微構造。完成之後又經過了許多次的測試和意外，經多次修改最後終於完成。雖然重量稍微超標，但當時載具更動，因此仍成功安裝與發射。福衛五號的觀測資料除了監測電離層F層上層電漿之季節變化和全球分布，亦可應用於太空天氣和地震前兆異常等相關研究。在播放福衛五號發射影片時，趙教授微笑表示，在現場觀看的人，都受到勸告，與其用手機或相機拍，不如好好親眼觀賞，不過當時沒有人聽從這樣的建議，都希望紀錄紀念性的一刻！

 

從趙教授的研發過程，我們可以看到先進電離層探測儀逐步達到最高技術成熟度，且在許多測試中證明其可大幅減少電極汙染效應，獲得準確的科學資料。在演講的尾聲，趙教授再次強調，學習不只是書本中的知識，親身體驗的感動也是相當重要的一環，他簡易說明了未來兩年其他發射計畫的狀況，同時向大家介紹「高中職學生參與衛星科學任務」和「中央大學太空科學與工程學系」，期待對太空科學有興趣的人都能夠加入，好好地認識這個尖端領域！