太空魔方─先進電離層探測儀
2018/12/18

趙吉光 | 中央大學太空科學研究所副教授

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福爾摩沙衛星五號上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」。
 
 
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!