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福衛五號:太空魔方–先進電離層探測儀

福衛五號上面除了擁有重要的「光學遙測酬載」外,還搭載一具精巧的「先進電離層探測儀」,該具國內自製的科學酬載將肩負太空天氣與地震前兆的科學研究與防災任務。
 
 
 
福爾摩沙衛星五號即將於2016年第2季,在美國加州范登堡空軍基地發射升空。上面除了擁有重要的任務酬載「光學遙測酬載」外,還搭載一具精巧的科學酬載「先進電離層探測儀」。

酬載這名詞是從payload直譯而來,科學酬載就是裝置在探空氣球、探空火箭、衛星上的科學儀器。國家實驗研究院太空中心(簡稱太空中心)委託中央大學負責研製的「先進電離層探測儀」,將肩負我國自主太空天氣與地震前兆的科學研究與防災任務,也是國內自製的科學酬載首度登上福爾摩沙衛星系列。

台灣位於低緯度地區,鄰近電漿濃度較高的電離層「赤道異常區」與常出現「電漿不規則體」的地磁赤道帶。而「電漿不規則體」的發生時段與複雜的密度結構,對於全球定位系統的使用者和其他與衛星通訊相關的民生與國防應用,都會產生很大的影響。

由於福衛五號的飛行高度約距地表720公里,正處於電離層頂部的位置,「先進電離層探測儀」在小尺度上可量測「電漿不規則體」的空間分布與暫態變化,在大尺度上可求得電漿參數隨經度、緯度、季節與太陽活動的變化,這些資料有助於改善太空天氣預報與提升全球通訊品質。

現代生活仰賴衛星科技甚多,太空天氣的變化會直接影響地面與衛星間的通訊品質。若能即時掌握太空天氣變化,可大幅提升衛星通訊、定位、導航的精確度。

此外,台灣位處太平洋地震帶,地震發生的次數頻繁,且可能發生強烈地震。特別在921大地震後,國人已充分體認到生命財產安全與防災的重要性。近年來科技日新月異,人造衛星已能記錄地震所引起的大氣和電離層擾亂,靈敏精細的酬載甚至能偵測到大地震發生幾小時乃至數天前出現的電磁異常現象。若能善用「先進電離層探測儀」的量測資料,有助於電離層地震前兆等前沿研究,提升防災科技能力。

儀器特性

為能達成上述的科學目標,「先進電離層探測儀」必須能正確量測電離層電漿參數,且具有高取樣的能力。在衛星本體的限制下,儀器也必須符合輕、小、低耗能、備援、抗輻射等要求。

因此在設計之初,便以單一探測儀來實現多合一的電漿量測儀器,讓「先進電離層探測儀」可分時發揮離子捕獲儀、離子流向儀、阻滯電位分析儀、平面電漿探針等儀器的功能,具備量測離子密度、離子速度、離子溫度、電子溫度等多種參數的能力,如此可大幅減少酬載的重量、體積與耗能。

為了達成量測的正確性,儀器的探測頭採用高透明度且具有最佳等電位面結構的電鑄純金篩網來組裝。這篩網結構與理論模型較接近,量測誤差較小,並且實驗證明這篩網能大幅降低電極汙染效應。過去儀器大多使用不銹鋼鍍金的編織篩網,但電位均勻度不佳,會造成量測上的失真。

為能解析電離層「電漿不規則體」的結構,且兼顧衛星資料儲存的限制,可採用3種取樣率,取樣率是每秒可測量電流的次數。平時使用正常模式(每秒128次),可廣泛量測各式電漿參數,資料量較小,也符合衛星的儲存限制。當通過不規則體常出現的區域時,可使用高速模式(每秒8,192次)取樣,如此可讓衛星在空間的取樣幅度由公尺級邁向公分級,而可辨別不規則體的細微結構。但由於輸出資料量大,這模式僅能使用一小段時間,無法涵蓋所有範圍。

與各國儀器相比,這儀器的最高取樣率遠勝過既有的儀器。例如:美國國防氣象衛星的熱電漿儀每秒只有24次、法國地震電磁衛星的離子分析儀每秒只有160次。本儀器對於電離層「電漿不規則體」的特性研究,會有突破性的成果。若要兼顧資料涵蓋範圍與儲存限制,可折衷採取快速模式(每秒1,024次)。

為能達成兩年的任務壽命,這儀器採用兩組控制器,分別是主控制器與備援控制器互援的方式運作。平常運作時,僅供電給主控制器。遇到主控制器發生狀況時,可先關閉主控制器的電源,再供電給備援控制器來維持儀器的運作。電源模組也有兩組,分別是主電源模組與備援電源模組。主電源模組供電給主控制器與探測器,而備援電源模組供電給備援控制器與探測器。

為能符合輻射總劑量的限制,儀器的外殼已增加至一定的厚度,可有效提升輻射的承受能力,能符合兩年任務壽命的需求。儀器也盡可能使用具抗輻射能力的電子元件,特別是儲存儀器程式內容的記憶體。而且記憶體僅在儀器上傳程式的過程中上電,以防止受損。為降低輻射對儀器造成單粒子效應的傷害,儀器採用過電流保護元件,並使用過電流保護電路的設計。並且大部分元件與電路採用備援設計,即使遭受單粒子效應的侵害,儀器也能切換至安全的元件與電路以延長運作壽命。

量測原理與參數

儀器探測頭的外部前方是由浮動電位平板、平面電漿探針的電極,以及入口開孔所構成。內部由四層非常細緻的純金電鑄篩網所構成,篩網上可施加適當的電壓來篩選不同能量的離子流。在最前端的是雙層入口網,在正常情況下施加浮動電壓,以確保電漿不受到橫向電場的影響,能穩定地進入探測頭內。浮動電壓由入口端的浮動電位平板所感應,可產生與周遭電漿電位相近的浮動電位。其後的篩網是阻滯網,由後端電路所產生的掃描電壓作用於其上,使低能量的正離子無法繼續進入探測頭內。

接下來是壓制網,其電壓維持在−15伏特,避免電子進入收集平板,並避免因紫外光照射到收集平板所產生的光電效應,而使電子離開收集平板。鍍金的收集平板分成四個象限,並施加相同的浮動電位。其上電流可由四個互相獨立的電流計所記錄,或匯流至單一的電流計所記錄。平面電漿探針的電極上也可施加掃描電位,由該電極的電流計讀數能得到電流與電壓曲線。

在量測方面,透過指令下達可改變五種基本的量測次模式。透過不同的模式,可量測諸如電子溫度、離子溫度、離子成分、離子速度、離子流向角等數據。若要產生更多的量測次模式,可透過指令的排程來安排。

科研團隊發展歷程

「先進電離層探測儀」是由太空中心於2012年1月13日委託中央大學團隊研製,是福衛五號所有次系統中最晚啟動,卻能及時在兩年內完成的。在太空中心層層把關下,歷經任務定義、系統設計、初步設計、關鍵設計、遞交模擬器等重要設計與驗證審查,於2013年10月8日完成飛行體允收審查與遞交。為確保任務成功,中央大學團隊在自我要求下,把探測器安裝在探空九號火箭上,成功通過飛試驗證,獲得極為可貴的科學資料。

太空中心自福衛一號「電離層電漿電動儀」開始(1994~2004年),便培養中央大學團隊參與電離層探測活動。這團隊從學習儀器操控與科學資料分析,開啟我國電離層實地探測的研究領域。迄今中央大學團隊所產生的科學資料,已在國際發表超過百篇以上的論文,使得我國的太空科學研究一舉由過去的資料使用者,轉換角色成為資料供應者,對全世界的太空科學界做出重大貢獻。

在探空火箭科學實驗上,為建立國內科學酬載的自我研製能力,太空中心也協助中央大學團隊長期參與學習自製科學酬載。而中央大學團隊憑藉由教育部獲得的「發展國際一流大學」與「邁向頂尖大學」計畫,配合建立獨特的設計、分析、製作、測試與校正太空酬載的基礎環境與人才培育計畫。

中央大學團隊從探空五號「離子探測儀」(2004~2006年)開始學習實驗設計與測試,探空七號「電漿探測儀」(2006~2010年)於國內自行測試與校正,探空九號「太空電漿量測儀」(2008~2014年)達成自主酬載的製作與驗證。從以往僅能從事理論與資料分析,進展至能獨立規劃與完成太空科學實驗,有效地提升我國在電離層實地探測的學術能力。

福衛五號科學酬載計畫的目標之一,就是集合國內相關科研人員自行研製具有特色的科學酬載,發展本土太空科學研究能力。中央大學團隊過去已具有火箭級的科學酬載研製能力與成功經驗,在太空中心的督促下,藉由這項計畫躍升完成衛星級的「先進電離層探測儀」。在長達二十年的努力下,上述工作與成果培養出具國際競爭力的研發團隊,大幅提升我國太空科技與科學研究水準成為世界領先群之一。

推廣太空科學教育

除了科學研究外,為推廣與深植國內太空科學教育,太空中心延續過去「高中生參與探空火箭任務」的活動,進一步與中央大學團隊合作推動「高中生參與人造衛星任務」。在桃園市教育局與教育部高教司委辦的桃竹苗區域教學資源中心協助下,邀請桃園地區對太空科學有興趣的高中生共同參與中央大學團隊所執行的福衛五號科學任務。

配合福衛五號的發射時程,中央大學團隊於2015年7月起,利用星期六課餘時間(為期10周,共60小時)向8所高中的學生介紹福衛五號科學實驗的相關知識,包含太空科學基礎知識、地球環境、電離層、電漿量測原理、設計與製作科學酬載、電漿與環境測試、資料分析、參觀衛星整測作業等,讓高中生實際參與人造衛星的科學實驗活動。

課程結束後,國研院太空中心與中央大學團隊會從結訓學生中遴選出表現積極且學習成果優秀的8名學生,前往美國衛星發射現場實際參與發射活動,感受運載火箭發射的震撼,期望能激發國內太空科學教育的火苗並擴大傳播效應,使太空科學教育在國內生根茁壯。

目前「先進電離層探測儀」已在2014年3月26日發射升空的探空九號火箭上完成飛行驗證,2014年7月完成全功能測試,近日也完成衛星本體的熱真空測試。期待未來福衛五號升空後,除了證明我國學界的確有能力自製科學酬載外,更可提供量測資料為全世界的太空天氣與地震前兆研究善盡一份心力。
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