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發射屬於自己的衛星

人造衛星是太空飛行器的一種,以火箭、太空梭等載具發射到地球或其他行星周圍,在特定的軌道上持續環繞星球。1957年10月,蘇聯成功發射人類第一顆繞行地球的人造衛星史波尼克號(Sputnik),不僅開啟了太空時代,也引發長達半世紀的太空競賽。
 
 
 
人造衛星是太空飛行器的一種,以火箭、太空梭等載具發射到地球或其他行星周圍。當星球的重力場對人造衛星所產生的向心力和人造衛星繞行星球的離心力相等時,人造衛星就會在特定的軌道上持續環繞星球。1957年10月,蘇聯成功發射人類第一顆繞行地球的人造衛星史波尼克號(Sputnik),不僅開啟了太空時代,也引發長達半世紀的太空競賽。

人造衛星 太空的眼睛

人造衛星的發明源自人類對外太空的好奇心。財團法人國家實驗研究院國家太空中心陳維鈞組長說,人造衛星一般由衛星本體(satellite bus)和酬載(payload)兩部分所組成,衛星本體有如卡車,酬載則像卡車裡的貨物。譬如台灣的「福爾摩沙衛星一號」上面有3個科學酬載,包括「海洋水色照相儀」、「Ka頻段通訊實驗酬載」、「電離層電漿電動效應儀」;「福爾摩沙衛星二號」的科學酬載是「遙測照相儀」和「高空大氣閃電影像儀」;「福爾摩沙衛星三號」的酬載則包含「全球定位氣象量測儀」、「小型電離層光度計」及「三頻段信標儀」等。再者,衛星本體除了攜帶酬載到設定的軌道執行任務外,還可依酬載任務需求提供電力、控制姿態與傳遞訊號資料等功能。

儘管人造衛星遠在太空,卻和人們的生活息息相關,譬如全球定位系統(global positioning system, GPS),就以衛星來協助我們定位,讓我們在廣垠大地中不至於迷路。「Google Earth」也以衛星照相儀攝製影像,讓人們可以迅速掌握全球地理資訊。此外,衛星還能讓我們近距離觀察外太空的星球。近年推出的「Google Moon」和「Google Mars」系統,就分別以圍繞月球和火星的人造衛星來攝製影像,使用者只要透過網路,就能親臨實境般一窺月球和火星的地貌。

皮米衛星 體小量輕

人造衛星若以功能來區分,包含有科學衛星、通訊衛星、氣象衛星、遙測衛星、軍事衛星等。以規模來分類,則有大型衛星、中型衛星、小衛星、微衛星,以及1公斤以下的皮米衛星。100公斤以下的小型衛星除較節省製作成本及發射費用外,成功發射的機會也較高。因為當衛星縮小至100公斤以下,就可利用「搭便車」的方式隨火箭發射,不需如中大型衛星在設計初期就得考慮發射載具的搭配。然而,小型衛星如奈米或皮米級衛星也因為體積小、重量輕,一般都用來執行較單純的任務,若要執行複雜的任務,得以衛星星系或衛星群的方式來部署,才能成為功能較為強大的衛星系統。

1990年代以後,隨著電子裝備的微小化及功能的提升,衛星的設計與製作也進入小型化的階段。陳組長以智慧型手機為例,他說,小小的一支手機,功能除了通訊以外也囊括了導航、上網、指南針、照相、動作感知器、GPS接受器等,而一枚衛星就如同一支智慧型手機,除了包含上述功能之外,衛星還有磁力機、星象儀,能透過觀測星象來辦別自己的位置。既然現在幾乎人手一機,未來有沒有可能每個人都能擁有自己的衛星?這似乎不再是遙不可及的夢想。

標準化才能普及化

「介面標準化」是產品得以大量生產的關鍵。隨著立方衛星(cube satellite)的製作技術在1990年代逐步標準化以後,製作成本低廉了許多,技術也更容易取得,奈米與皮米級立方衛星的發展變得更加迅速。 時至今日,衛星任務推陳出新,參與立方衛星計畫的機構也越來越多,許多先進國家的大學都躍躍欲試,而台灣參與開發皮米衛星的學校則有成功大學、中央大學、淡江大學、逢甲大學、虎尾科技大學等。

2002年,國家太空中心研製出台灣第1枚名為「蕃薯號」(YamSat)的1公斤皮米級的標準化立方衛星,其主要科學任務是應用微機電技術發展的微光譜儀,來研究大氣層變化及分析大氣成分。「蕃薯號」皮米衛星在製作過程中所需的太空元件,包括電磁線圈、太陽能晶片及電池等,都由國內廠商及科研機構供應。

標準化的立方衛星通常由許多通用元件組成,可跟隨其他任務的火箭一起升空。此外,多數立方衛星的壽命都很短,會在短時間內落回地面,不會增加軌道上的太空垃圾。由於立方衛星的成本低、開發時程短,適合做為教學工具,因此有越來越普及的跡象。可以預見的是,未來國家、公司、大學、高中等研究團隊,甚至個人,都有機會透過自製立方衛星,來發展自己的太空計畫。

下一站‧太空

「2011科學季:未來科技狂想曲」的展品「下一站‧太空」,主要想傳達人類移民太空的想望與可能性。過去幾十年來,月球是太空人的熱門登陸點,如今,火星成為人類探勘的新標的,包括美國、印度都有登陸火星的計畫。隨著科技的日新月異,人類慢慢發現銀河和太陽系的數量遠超過我們的想像,也許在太陽系之外還有其他適合人類生存的地方。

藉由「下一站‧太空」展區的互動裝置,民眾可模擬發射屬於自己的個人化衛星,並執行通訊、遙測、太空科學研究、外太空探測等各種任務,進而啟發他們對未來太空科技的興趣與夢想。展區也播放未來太空影片,包括「太空旅行」、「光帆太空飛行」和「國際太空站」,向參觀者介紹目前國際間的科技狂想:如乘坐太陽風帆進行太空旅行;透過蟲洞往來行星與行星之間;利用空間褶曲的理論,摺疊空間來縮短飛行時間。

人造衛星的微小化已成趨勢。目前,美國也在發展更微小的晶片衛星,而「編隊飛行」技術是未來微型衛星應用模式的趨勢。所謂「編隊飛行」是利用多個飛行中的小衛星組成一定形狀,小衛星之間能自動地相互聯繫、協同工作,共同承擔空間信號的採集與處理工作,大大提升執行太空任務的能力。陳組長表示,科技發展的基礎在於狂想,現在不可能不代表未來不可能,就像幾十年前,我們很難想像電話可以帶著走,現在卻幾乎是人手一機。因此,只要懷抱夢想,不斷精進,狂想也有成真的時刻。也許有那麼一天,每個人都可以讓屬於自己的衛星在宇宙遨翔,屆時外太空就更加熱鬧了。

【「2011科學季:未來科技狂想曲」展品報導】

深度閱讀
  1. 財團法人國家實驗研究院國家太空中心:http://www.nspo.narl.org.tw/2011/tw/aboutNSPO/about.html
  2. 苗君易、Artur Scholz、莊智清、蔡永富(民100)衛星能多小─皮米及奈米衛星,科學發展457,51-55
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