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太空紀元五十年

新聞出處:NSPO 2007/10/03

引言


1957年10月4日格林威治時間19:28:34,蘇聯成功地發射了人類史上第一顆人造衛星「史潑尼克一號(Sputnik I)」。它以每小時29000公里的速度繞著地球飛行,並透過無線電訊號傳送所偵測到的大氣電離層數據。這件創舉震驚了世界,尤其在同一年中,美國的「先鋒號」人造衛星又發射失敗,讓冷戰時期的美國備感威脅,迫使當局成立國家航空諮詢委員會,後來演變成今日的美國國家航空暨太空總署(NASA)。美蘇兩國之間的太空競賽就是從這個「史波尼克危機」開始的。之後1961年蘇聯成功發射第一艘戴人太空船「東方一號」,1969年美國的載人太空梭「阿波羅11號」成功登陸月球,從此第一個踏上月球的阿姆斯壯成為家喻戶曉的人物。

如今,「史潑尼克號」發射後的50週年,蘇聯瓦解、冷戰早已結束。雖然鉅額的經費支出與資源消耗,讓過去不少的太空計畫遭受其他團體的批評與反對,但誰也不能否認,這些年來的投入,促成人類科學與科技的巨大發展,尤其在火箭、物理、天文、與電子通訊等領域,更別說一些現今已普及在一般家庭裡的設備發明了。

新的國家如歐盟、日本、中國、印度、巴西也紛紛投入太空發展的行列。如今有超過上千個人造衛星,環繞在地球四周,各自覆載著它們的特殊任務,例如感測天氣、探測地表、衛星定位、甚至蒐集軍事情報等。

台灣太空研究現況


台灣於1991年成立太空計畫,第一期十五年從1991至2006,目標在透過執行福衛一、二、三號計畫,建立基礎設施、組織研發團隊、培養自主能力。第一期計畫裡,國研院國家太空中心與產業界、學術界共同合作,一步步建立大型計畫、系統工程、太空品質的作法,任務成果並應用在電離層觀測、環境監測、氣象預測等。

第二期太空計畫十五年從2004至2018,目標在建立全方位太空科技實力,包括衛星、儀器、火箭、地面等太空科技領域。新世紀裡太空活動主要在太空旅遊、外太空探測、地球觀測。台灣身為太空社會的一份子,對於任何國際上的太空活動自然不會缺席。人文與科技發展決定太空趨勢,太空科技不外乎在探討太空中人造與自然物體,並應用在國計民生。此外,國研院國家太空中心將以現有基礎,結合產業界、學術界,隨時迎接太空挑戰。

值此太空紀元五十年前夕,國研院太空中心、中央大學、成功大學三個主要的國內太空研發單位在此一起回顧與展望。

福衛二號


從2004年敏督利颱風、南亞強震海嘯之災區取像,2005 年卡翠娜颶風、巴基斯坦地震之災區取像,2006年極區極限取像、吉尼號漏油緊急取像,2007年全台五條帶廣域取像、國際太空站動態取像,福衛二號帶著台灣走出去觀看全世界,並處處讓世人驚嘆。

福衛二號充分發揮每日再訪特性,展現舉世無雙的取像能力,包括廣域、緊急、動態、極限四種獨特取像能力。極限取像使得福衛二號拍攝到位於南緯90度南極科學觀測站的第一張高解度衛星影像,同時也證明福衛二號是當今世上唯一可以每日對全球任何地區取像的遙測衛星。此對刻正展開之國際極地年(International Polar Year, IPY 2007-2008)觀測,意義特別重大。

福衛三號

福衛三號星系於2006年4月發射,目前堪稱是全世界最穩定精準的太空溫度計(FORMOSAT-3 is the most accurate and stable thermometer in the space, quoted from Dr. Richard A. Anthes of UCAR’s President.)。福三收集的氣象資料具有全球分佈、資料即時、資料準確及資料穩定四項特點,可彌補南北極資料之不足。已有41個國家,超過556個研究人員使用,申請國家與單位還在持續增加中。歐盟氣象中心(EMCWF)/NOAA已正式將福衛三號資料納入該中心的預報系統。

台灣太空探測50年
中央大學
2007.10.3


太空科學在台灣的發展,最早可以追溯到1951年。交通部於當年在台北市建立我國第一座手控式電離層觀測儀(Ionosonde),以進行電離層(Ionosphere)的觀測與研究,而開啟了台灣對於太空科學研究的領域。在國際地球物理學年(International Geophysical Year,IGY)(1957年7月到1958年12月)期間,本電離層觀測儀亦受邀加入相關的太空科學的觀測與研究工作,並獲致良好的結果。由於受到IGY研究成果的激勵,於1962年在行政院的政策決定下,教育部成立國立中央大學地球物理研究所,其中設有高空物理組,以進行有關太空科學人才培育的任務。在1966年,由於台北地區噪音問題日趨嚴重,交通部電波研究實驗室的電離層觀測儀便遷移至桃園縣崙坪地區,繼續進行電離層的例行觀測迄今。鑑於太陽的擾動會引起地球的磁暴(Geomagnetic Storm)現象,而磁暴所產生的地磁擾動又與電離層的擾動息息相關,因此為了強化電離層的觀測與研究,於1965年交通部電波研究實驗室於中壢崙坪觀測台設立我國首座地磁觀測站,除了提供台灣地區的背景地磁場外,並可以研究太空環境變化對於地磁擾動的影響。此外當人造衛星訊號通過電離層時,會受到地磁場與自由電子密度擾動的作用,使得人造衛星訊號產生所謂法拉第旋轉效應(Faraday Rotation Effect)以及閃爍(Scintillation)現象,進而劣化人造衛星對地球的通信品質。有鑑於此,在1969年在崙坪觀測台進一步設立電離層全電子含量的觀測設備,以測量電離層擾動對於人造衛星通訊的影響。而電離層高頻都普勒觀測網(HF Doppler Network)則在1982年在台灣地區架設完成,以進行有關電離層擾動的觀測與研究。至於在學界方面,在1968年中央大學成立大學部,而大氣物理系亦在同年設立,其中分為大氣物理與太空物理兩組。1983年太空與遙測研究中心在中央大學成立,除了進行有關太空科學的研究外,並積極從事有關遙測技術與應用的研究與發展。1990年,太空物理組自大氣物理系獨立出,而成立太空科學研究所,成為台灣唯一一所專門從事太空科學研究的學術機構。而我國首座的特高頻雷達亦於1985年5月在國立中央大學設立,自此開啟了我國雷達探測太空的新領域。1991年8月,我國太空科技發展長程計畫經行政院核定,確定未來十五年的太空科技的發展,將以“衛星本體及其應用技術的研究為主,帶動相關之基礎及應用研究為輔“為主要的發展主軸。1991年10月,太空計畫室籌備處隨即在新竹科學園區成立,以作為未來十五年台灣太空科技發展計畫的任務規劃與執行單位。自此開啟我國的國家太空科技發展計畫。在國科會經費資助下,我國首座資源衛星接收站於1993年正式設置於國立中央大學太空與遙測研究中心。本接收站主要接收地球資源衛星遙測影像資料,包括SPOT系列衛星、ERS-1,2、EROS-A、Landsat-5、Terra、Aqua以及國家自主研發之福衛二號衛星等。本站目前除提供衛星影像資料及其加值產品外,亦進行了輻射、幾何、遙測應用等研發工作,以及相關技術諮詢、教育、推廣與服務等,為台灣資源遙測科技之先驅。由於本站同時具有接收處理、研究開發、與教育推廣等三種功能,為全球少數具有「三位一體」特色之資源衛星接收站。

在國研院太空中心的主導下,透過產官學研各界的努力,我國首枚科學實驗衛星中華衛星一號在民國88年2月發射,執行Ka波段通訊實驗,海洋水色照相實驗與電離層電漿動力實驗,獲致極有價值的成果。該枚衛星於民國93年6月結束科學實驗任務。福爾摩沙衛星二號在民國93年5月發射,擔任太空之眼的任務,目前正在890公里上空的軌道中順利執行各種科學任務,包括對地遙測與高空閃電的觀測等。福爾摩沙衛星三號在民國95年4月發射,目前正進行第二階段的軌道轉換,預計在13個月內將6枚衛星自510公里的暫駐軌道提升到800公里的任務軌道,以形成一座低軌道衛星星系)等低軌道衛星,進行各種先進的太空科學的觀測與研究。福衛三號可說是太空溫度計,可以透過GPS訊號量得由離地一公里到40公里之間的大氣溫度垂直分布。

除了衛星計畫之外,為了發展我國次軌道的探空系統,以從事各種太空科技的探測與尖端研究,從民國87年起,我國先後發射過5枚探空火箭,並獲致極為突出的結果。探空火箭一號於民國87年12月成功發射,該枚火箭的目的為驗證我國所具有的獨立自主的次軌道火箭發射系統與技術。探空火箭二號與探空火箭三號分別於民國90年10月與民國92年12月發射,主要科學任務為利用TMA化學釋放酬載,配合地面光學觀測系統,測量太空中的電離層中性風場,以探討太空環境內的中性風與亂流的特性與成因。探空火箭三號的實驗結果,成功的觀測到太空環境90到160公里的中性風場與亂流。探空火箭四號於民國93年12月順利發射,所配置的光度計科學酬載亦觀測到電離層的氣輝現象。探空火箭五號則在民國95年1月成功發射,所配置的科學酬載為離子探測器,其科學任務亦十分成功。探空火箭六號則在今年9月發射成功。至於後續的探空火箭七號則預定在明年秋天發射。

由上所述可一窺我國這十幾年來在有限的經費與人力資源的情況下,所獲致的部份太空科學研究的結果。這些結果不但已躍登世界科研舞台,吸引眾多國際學界的注目,同時對於國際學術的衝擊與貢獻,與國外先進太空科技國家相比,毫不遜色。展望將來,相信在國家政策的支持下以及相關同仁的努力下,我國的太空科技尖端研究將在現有的基礎上更加輝煌耀眼。且讓我們拭目以待。

衛星關鍵技術研發
成功大學
2007.10.3

成功大學於民國85年受國研院國家太空中心 (NSPO)委託在歸仁校區建立一座遙傳追蹤指令站 (TT&C ),及一座ECP地面接收站。同時編組地面站任務操作團隊,負責地面站設施的操作與維護工作。S-band TT&C 遙傳追蹤指令站主要負責傳送衛星命令與與衛星操作資料。ECP 地面站 (ECPGS) 主要用途為提供國內學術界進行Ka頻段衛星通訊實驗與電波傳播實驗之用,為我國首座 Ka 頻段地面站。隨著民國88年1月一號衛星、93年5月二號衛星、95年4月三號衛星皆順利升空,成大航太中心衛星任務操作團隊順利達成支援福爾摩沙衛星一號、二號、三號早期軌道及衛星任務,協助地面站升級計畫 (TSU)並於95年3月受國研院太空中心委託執行第三座遙傳追蹤指令地面站設施建置工作,依時程預計於97年1月將加入任務操作行列。

而成功大學航太系自十餘年前即以衛星姿態控制之小型液態推進器為研究對象,期待提升國家太空科技方面之工程應用技術與自主研發能力。其中廣泛應用在衛星姿態控制的聯胺單推進系統研製技術已獲掌握,並於96年9月探六火箭獲得成功驗證。而從燃料、觸媒至推進器皆屬國內自製的過氧化氫單推進系統亦獲得技術突破,將以模擬衛星酬載系統的模式搭載於探八火箭進行高空測試。

除此之外,成功大學自組之PACE衛星團隊積極與國內外專家學者及研究機構合作,並尋求相關技術支援,相關活動可分成下列多方面說明:

  1. 國研院國家太空中心技術支援:在分析設計階段,國研院太空中心的專家除了經驗支援之外,並利用NSPO之測試設備進行工程模組測試,衛星相關專業分析工具與軟體也是協助驗證分析結果的重要資源。
  2. 2. 與國內研究單位交流合作:成大PACE團隊自2003年成軍以來,即藉由校內之皮米衛星系統工程遠距教學課程,與國研院國家太空中心的專家進行技術交流及設計審查,學習了許多的寶貴經驗。同時, PACE團隊也和中山科學研究院二所進行合作,共同開發太空級微動量轉動飛輪,以提升國內自製太空級元件之能力。
  3. 3. 拓展國際交流合作:自2000年,成大PACE團隊成員即藉著參與國研院國家太空中心YamSat計畫,與美國加州州立科技大學(California Polytechnic State University,簡稱CalPoly)密切交流,洽商衛星發射之技術與合作相關事宜;自2002年,在教育部航太科技教育改進計畫專案經費支持之下,與俄羅斯莫斯科航太學院(Moscow Aviation Institute,簡稱MAI)教授定期互訪,並簽訂合作交流協議。俄羅斯莫斯科航太學院的教授為控制系統的專家,專精於衛星系統發展,有數十年衛星發展經驗,指導微型衛星計畫有相當顯著的助益。


亞孟森-斯科特南極站(Amundsen-Scott South Pole Station, 90 deg S),2006.11.6


一箭六星


星系部署


掩星技術


探空火箭三號TMA酬載所釋放出的TMA尾跡在太空中105公里附近隨時間漂移的情形,估算出之太空風速高達每小時560公里以上。本研究結果已於今年刊登於國際頂尖期刊地球物理研究期刊中。