巨人的眼睛 ─  福爾摩沙衛星二號
科學發展 2015 年12 月│ 516 期



湛藍的海水、碧綠的山脈、銀白的大地；日復一日，透過巨人的眼睛可以觀察到地球四季的變化，感受這藍色星球的美麗與哀愁。


太空計畫的誕生
「什麼！台灣也有太空中心？！」不要懷疑，位於新竹科學園區內的國家實驗研究院國家太空中心緣起於1991年10 月，行政院核定第一期「國家太空科技發展長程計畫」，因而設立了太空中心做為執行太空計畫的主要單位。太空中心負責執行及運作台灣的太空計畫至今已逾20 年，成功地建立台灣自主的衛星系統整合能力，並且奠定台灣太空科技
發展的良好基礎。
福爾摩沙衛星二號（以下簡稱福衛二號）的規畫始於1997 年，屬於小型的遙測衛星。其中，衛星的本體由法國衛星製造商為主合約商，美國的衛星發射公司提供衛星發射服務，太空中心與國內廠商則負責地面接收站和相關資料處理與分析系統的軟硬體建置，並且由太空中心自主操作衛星執行任務。經過6 年的籌備與整合測試，福衛二號終於在2004 年5 月21 日於美國加州的范登堡發射場發射成功，2004 年6 月2 日成功進入預定的任務軌道運行。

福衛二號從太空中俯瞰地球，並且記錄著地球上的動態，讓我們得以一窺地球的神祕面紗。
在福衛二號的研發過程中，太空中心派遣了優秀的工程師團隊前往法國全程參與衛星製造，還負責衛星系統及部分次系統的設計分析與衛星整合測試。另外和國內廠商協力完成衛星電腦、天線、飛行軟體的設計，讓太空中心從中獲得了許多寶貴的經驗，使台灣得以朝向自主發展衛星的目標順利前進。

福衛二號是個什麼樣的衛星

當登上高山，自山上俯瞰山下時，可以看到壯闊的山陵線、蜿蜒的河道、繁華的市鎮等。而福衛二號就像巨人的眼睛，從太空中俯瞰地球，並且記錄著地球上的動態，讓渺小的我們得以一窺地球的神祕面紗，了解所居住的環境，以及我們對這環境所帶來的影響與衝擊。福衛二號的總重量約760 公斤，高約2.4 公尺，外徑1.6 公尺，具有執行主要任務的遙測照相儀，以及執行科學任務的高空大氣閃電影像儀，因此可進行地表遙測影像的拍攝及高空大氣閃電現象的觀測。福衛二號目前正在距離地球表面891公里的太陽同步軌道上飛行，每日早晚都會經過台灣上空。衛星行經白晝地區時會執行遙測影像的拍攝，這些影像資料提供的地表資訊可應用於國土規畫、自然資源保護與調查、環境監測、災害防治等；當行經黑夜地區時，則會進行高層大氣向上閃電的科學觀測，觀測結果是科學研究的重要資料。福衛二號的主要任務是拍攝遙測影像，影像的幅寬是24 公里。遙測影像可以用黑白或彩色呈現，黑白影像的對地解析度是2公尺，彩色影像的對地解析度則是8 公尺。福衛二號每天以南北方向繞行地球14 圈，因為軌道高且衛星的視角大，所以每天會針對同一地點進行遙測影像拍攝，這樣獨特的衛星軌道設計，稱為「每日再訪」。「每日再訪」是福衛二號的特色招牌，每當國內外有重大事件發生時，由於福衛二號可以「每日再訪」同一地點拍攝遙測影像，因此即時提供了第一手的遙測影像資料，對於救災工作有相當大的助益，也讓福衛二號成為國際間提供即時救災遙測影像的先鋒。福衛二號兼具「遙測」與「科學」兩大任務功能，又是台灣第一顆自主操作的遙測衛星，奠立了台灣太空發展的重要基石，並且驅使台灣的太空科技日漸成熟，得以邁向太空世代的里程碑。發射衛星上太空吧究竟福衛二號是如何發射升空的呢？讓我們把時間倒轉至2004 年。當時福衛二號組裝及測試完成，接下來太空中心工程人員面臨的挑戰，便是設法把這個龐然大物送到891 公里處的地球軌道上運行。
三百多年前，物理學先驅艾薩克‧ 牛頓首先發現，物體因受到地球重力的影響，最終會落到地面。若想擺脫重力，必須使物體達到逃逸速度後才能擺脫地球的引力而不致掉落地面。因此為了順利把衛星送上太空中指定的軌道，就需把它搭載在擁有足夠推力的發射載具上，使它能加速到足以維持在軌道面上的速度。為此太空中心與美國軌道科學公司合作，把福衛二號搭載於名為陶洛斯的XL 型火箭載具上。陶洛斯火箭包括最上端裝置衛星的酬載護罩共有4 節，總長達35 公尺（約10 層樓高），使用固態燃料，總重約80 公噸，在第二、三、四節火箭填裝聯氨燃料，利用噴嘴控制火箭飛行路徑和方向，第三節火箭前端則增加導引系統。準備發射的過程是繁瑣而富挑戰性的，太空中心的工程人員首先把福衛二號安裝在酬載轉接錐及發射載具的分離系統上，再以兩片酬載護罩封裝，並且架設在陶洛斯火箭的最上節，然後進行吊掛作業，把火箭安裝到發射架上，如此便完成發射前的預備動作。在火箭預定發射前的24 小時，必須先打開衛星推進系統的燃料阻流閥，為最後一天發射倒數計時各項繁雜的預備
工作揭開序幕。
這時太空中心、美國軌道科學公司及發射場3 個單位的發射團隊須在發射3 小
時前分別進駐衛星、火箭與發射3 個任務控制中心，準備倒數計時作業。發射工作由美國軌道科學公司工程人員擔任發射執行官，進行倒數程序中133 項的檢驗動作，再由坐鎮在3 個控制中心的指揮官回報各項檢驗動作的結果。

人造衛星影像處理系統

影像處理流程，按步驟可分為下面五個：

1.PSS規劃要拍攝哪些地區的影像(同時根據客服需求與雲量預報)，將規劃結果送給衛星操作與控制中心

2.衛星操控中心將拍攝指令送到TT&C 天線，由TT&C 天線上傳指令給衛星

3.衛星根據指令拍攝影像後，將影像的訊號回傳由X-band接收站接收

4.將回傳訊號由DIS系統解碼為影像資料

5.DMS與DPS將檔案影像資料處理為使用者可使用的影像圖片並歸檔

延伸資訊

http://www.nspo.narl.org.tw/tw2015/F2_image/domestic.html

絕地救援--火星人來了!!

雷利・史考特的新片上映啦！
由麥特・戴蒙擔綱主角的《絕地救援》改編自小說，
內容是一個外太空生存故事，
光是劇情、導演、演員的組合就可以知道這應該是一部精采絕倫的電影，但在為了劇情緊張冒汗的同時，
我們也可以先釐清一些太空小知識，讓觀影有更多樂趣！


・關於人造衛星
在天上的衛星好像一直在某個定點不會動？
這是假象啦！如果衛星真的在太空停止不動，
可是會被地心引力拉下來的！
讓我們覺得不會動的衛星——比方同步衛星——
只是因為該衛星繞一周的速率和地球繞一週的速率相同而已！
因此，電影中常常出現的「用人造衛星追蹤那傢伙的位置！」
也不可能總是可行，而是需要算算天時地利人和的！


・關於通訊和定位
通訊和定位這兩件事應該是生活在地球上的我們與衛星最直接的關聯了，
以通訊而言，無線電只能直線行進，
所以如果要讓台灣與美國順利通訊，
就要藉由將訊號發射到衛星，再由衛星發射到另一處，
這種衛星就是位在同步軌道上的通訊衛星了，
只要處在此衛星的訊號範圍內都能順利通訊。
而平常我們會用到的定位系統也是類似道理，
透過GPS衛星發射的訊號讓我們清楚自己所在的經緯度，
除此之外還需要知道方向——但如果我們像麥特・戴蒙位在火星這麼一個沒有磁場分布的星球，
就只能利用人類在火星上建造的無線電基地台，來了解自己的方向了。

太空也有垃圾問題?!

想像一下哪天一踏出家門，觸目所及都是垃圾，可能有的大如客運，也可能小如溜溜球，

垃圾讓交通事故越來越頻繁的發生，再小都可能造成一場連環車禍。

此時我們可能會想，

嘖，哪天叫清潔隊來吧，看垃圾要載去填海還是哪裏都好，

總之就是往「外面」丟——但如果以上的情況發生在太空呢？


我們平常可能很難想像，在「太空」這個「外面的外面」也會有垃圾的問題，

儘管常人距離太空遙遠，但從二十世紀中葉以來越來越多的太空活動，

已經造成很多垃圾，如火箭的噴射物、太空任務執行間的拋棄物、衛星本體等等。

這些垃圾聚集在近地軌道上，讓太空活動變得十分危險，隨便一個小碎片就可能造成機具、人員的重大損害。

今年七月就有國際太空站的三名太空人，為了避開一塊報廢的俄國氣象衛星碎片，躲進俄國聯合號（Soyuz）太空艙避難。

而且太空垃圾最為棘手之處在於，比5公分小的碎片無法追蹤，且當垃圾之間互相碰撞就會產生新的垃圾，這種「自我繁殖」的狀況也讓太空垃圾的處理越來越急迫。

這種情形讓一些應變方式應運而生，有一些商人從「太空態勢感知」（Space Situational Awareness，簡稱SAA）

—一種對太空中物體進行監控的技術——嗅到商機， 投入這塊藍海。

除此之外，國際間是否要商討一套「太空的交通法規」也被討論，

目的在於協同各國將軌道進行合理的配置。

儘管太空垃圾的問題不是我們有辦法介入處理，

但從中透露出來的政治、資本角力，應該也會成為日常生活的「大投影」吧（而非小縮影）！

圖/邱顯洵

文/張紋瑄

火箭王子陳彥升：做別人沒做過的才會成功

陳彥升從小就對對航太的熱忱與執著，他唸小學六年級時，就自己嘗試測試火藥製作巨大火箭，還不小心讓火藥爆炸差點燒了房子，在這樣的成長過程中，他一直懷著成為火箭科學家的夢想。

抱持著這個夢想，在大學畢業及航發中心風洞課服役後，他前往美國取得航太博士，任職於NASA（美國太空總署），負責太空梭引擎性能改進及偵錯分析，在2005年太空中心邀約下，他放棄了NASA高薪，只為了讓台灣在太空留名，因為他相信台灣火箭發射衛星的技術只差一步整合，就可以競升到百分百太空科技的地位，正式進入世界的太空俱樂部。


他的團隊花了將近四年時間打造出第一枚自製混合式「台灣火箭」，製作火箭與試射的過程並非這麼順利，他們經歷二十一次試射與各式各樣實驗，也面對失敗的打擊，然而失敗卻也為他們開啟了另一扇窗。


「做別人沒做過的事不是偶然，而是要先發現別人沒發現的東西。」他說。


放下了既有的想法，朝不同的角度重新思考，他們開發出全世界第一的「混合式推進劑火箭引擎」設計，也就是使用安全的固態燃料加上液態氧化劑的組合，在燃燒艙中反應產生推力，只需要控制氧化劑的流量便可控制推力，系統簡單且環保無毒性，卻可跑更遠、更有效率，若要能商業化、降低成本開發「太空旅行」，台灣火箭燃料未來將成為核心的關鍵。

他相信：「這當中的關鍵在於好奇心，它可以讓你發現別人不曾想過的事。」


圖/邱顯洵

文/ 呂欣晏、劉辰岫

太空魔方--動手做，才能創造自己的不凡!

趙吉光副教授是中央大學太空科學研究所的老師，他的團隊自製研發出全球最輕巧的電離層探測儀「太空魔方」，在資源有限的環境下，帶領學生透過自己動手做，將不可能變為可能。


「太空魔方」可作為「太空通訊研究」當太陽風暴來臨時或赤道地區電漿不規則體生成時將造成電離層擾亂，地面與衛星通訊會因此受到干擾或中斷；「地震前兆研究」當強震時，上空的電離層離子濃度會異常減少，如果能掌握電離層電漿的異常變化，也許未來便可預測地震。


「以往我們只能由先進國家製作的科學酬載所量測的資料來研究太空科學，但學會如何製作科學酬載後，我們對於太空探測才真正地跨出重要的一步。」他說。


過去我們僅能由學習理論、模擬、資料分析等方式來探究太空，但自從2006年教育部五年五百億計畫的經費投注下，開始一步一腳印地建構太空酬載實驗室。從參與各項探空火箭科學酬載研製計畫，逐步改良儀器的性能並獲致豐碩的量測結果。終於獲得太空中心的信賴，成為第一個國內自製的科學酬載登上福爾摩沙衛星。


台灣在國際上從資料的使用者將逐步地轉變為資料的提供者，靠著就是趙吉光教授帶領學生學習方向的改變。


他表示，「太空酬載能夠將許多看不到也摸不著的太空現象具體地呈現出來，讓我們更清楚自然界的奧秘。而從動手做的實踐中，學生也能學到許多實用的技能。並且在一些限制條件下，必須要能有創意地解決問題。也許有一天學生便可應用所學，為人類做出重大貢獻。」



這幾年最讓他引以為傲的是他培養的畢業學生，在業界大家都會驚訝太空所訓練的學生竟然會具備如此豐富的知識與實作能力，並且曾參與許多國家太空科學任務的經歷。他所培養學生不是只有一個專長，而是具備整個系統的觀念與團隊合作的信念，為台灣太空科學教育寫下新的里程碑。

圖/邱顯洵

文/ 呂欣晏、劉辰岫

台灣太空計畫的領航員

國家太空中心主任張桂祥博士，不僅是太空中心的元老，也是衛星計畫達成任務的幕後推手，用穩紮穩打的方式帶領台灣太空技術推向國際舞台。


靠著這樣的信念，張桂祥在龐大且複雜的太空計畫中，讓人才各得其所，彼此合作無間，打造一隻跨領域的堅強團隊。這二十多年來他全程參與福爾摩沙衛星一號、二號與三號衛星計畫的任務執行，並負責推動福衛五號及福衛七號計畫，對我國太空計畫的發展與運作，具有豐厚的實務經驗。他表示，「設定具有挑戰性的目標，讓團隊保有成長動力，對工作保持熱忱，才能走得長遠。」


衛星所蒐集的資訊在民生應用及國土安全上有相當大的幫助，對於改進天氣預測的貢獻度也是世界前茅，這證明了Made in Taiwan的技術已經獲國際間的肯定與認同，但仍然遭遇許多困難與挑戰。


「國內挹注在太空方面的研究費，相較國外來說少很多。一般民眾對太空研究的直覺就想到比較美國NASA的豐功偉業。加上太空計畫高投資、高風險的特性，在經費爭取上較難取得共識。」張博士指出。


因此，如何利用有限資源、保持務實態度來推動太空計畫是目前當務之急。太空科技不只在宣揚國力，更可帶來科技升級、人才培育、產學應用、社福民生及科普教育等綜效。張桂祥相信，「只要有決心，我們一定能做到！」未來他將持續帶領臺灣的太空計畫航向國際舞台。


圖/邱顯洵

文/ 呂欣晏、劉辰岫