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探空九號火箭科學實驗-太空電離層不規則體研究

新聞出處:NSPO 2014/03/27

國家實驗研究院太空中心探空九號科學實驗任務,於3月26日晚間21:34在屏東九鵬發射基地順利升空,完成台灣南方上空80~300公里之間大氣中電離層動態的量測。

探空九號於發射6秒後,第一節火箭燃燒完畢並脫節,12秒時點燃第二節火箭,42秒時第二節火箭燃畢。火箭藉由慣性繼續爬升,58.2秒時高度達到82公里,此時鼻錐罩開啟,開始以「電漿阻抗分析儀」及「電漿探測儀」量測電離層中的電子密度。270秒時到達286公里的最高點,順利完成此次科學量測任務。最後在發射後520秒落入海中。

本次任務的一大特色,是和地面設備互相搭配,先以裝設於九鵬基地及台東太麻里的「30MHz高頻雷達」、「52MHz特高頻雷達」及「福爾摩沙衛星三號三頻標識訊號接收機」(註1),偵測「電離層不規則體」(註2)的訊號,據以判斷最適合發射火箭的時機,然後再執行發射任務。

探空九號上搭載的「電離層不規則體研究科學酬載」(見左圖)包括了「電漿阻抗分析儀」及「電漿探測儀」(包括「阻滯電位分析儀」、「離子流向儀」及「電漿探針」),這些酬載以及地面的「電離層偵測雷達系統」均由中央大學主導研發。

電離層不規則體影響GPS訊號接收及衛星通訊

台灣位於近赤道的低緯度地區,上空受「赤道電漿噴泉效應」(註3)的影響,電離層活動相對較活躍,且形成電離層的「赤道異常區」(註4),此區域的電漿濃度特別高,其擾動現象對於GPS使用者,以及其他與衛星通訊相關的民生與國防應用,都可能產生很大的影響。探空九號延續探空五號及探空七號實驗,使用更精進的電漿量測儀器,配合地面設備,持續研究台灣上空「電離層不規則體」的產生機制。其實驗目標包括:

  1. 科學研究:量測電離層各種關鍵參數,除了可以了解電離層的電漿分布之外,透過地面雷達與科學酬載的資料比對,亦可研究電離層不規則體的發生機制,以及電離層不規則體空間結構的未解之謎。
  2. 提升衛星通訊品質:以探空九號、地面雷達及福衛三號三頻標識訊號接收機聯合量測電離層不規則體,進行人造衛星VHF/UHF頻段的標識訊號接收實驗,將有助於提升衛星通訊品質。
  3. 福衛三號電離層資料驗證:福衛三號搭載的科學酬載「三頻標識訊號儀」可以量測電離層電子密度分布。過去都是以地面雷達的觀測結果,驗證福衛三號量測結果的可靠性。探空九號上面安裝的「電漿阻抗分析儀」可以精確量測電離層電子密度剖面,據以驗證福衛三號的電離層觀測結果,了解福衛三號電離層觀測的真實誤差與精確度。
  4. 福衛五號科學酬載飛行實測:自製衛星級科學酬載,除了要能通過實驗室的太空環境測試驗證,亦須在探空火箭施行實測。探空九號火箭上安裝了太空中心與中央大學合作自製的福衛五號「先進電離層探測儀」科學酬載,進行實際飛行測試。這是我國首次利用探空火箭為測試平台,測試衛星科學酬載的性能,以利日後正式服役,其結果對於國內團隊未來參與國家太空衛星計畫具有深遠的影響。

推廣太空科學教育

除了科學研究與驗證測試外,為推廣與深植國內太空科學教育,中央大學探空九號科學團隊特別邀請桃園縣八所公私立高中(大園高中、內壢高中、中壢高中、平鎮高中、永豐高中、育達高中、復旦高中、壽山高中)42名學生,參與中大團隊所執行的探空火箭科學酬載計畫。

配合此次探空九號計畫時程,中大團隊於2013年9月起,利用週六課餘時間(為期12週,共36小時)向這些高中學生介紹探空火箭實驗相關知識,包含太空科學基礎知識、地球環境、電離層、酬載製作與測試、雷達基本原理、天線場型模擬與組裝測試等,讓高中生實際體驗動手參與探空火箭實驗。

課程於2013年12月31日結束後,中大團隊從35名結訓學生中,遴選出表現積極與學習成果優秀的28名學生與隨行的11名老師,前往探空九號發射現場,實際參與飛試活動並感受火箭發射的震撼,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。

國家實驗研究院 新聞聯絡人
國研院太空中心 陳彥升 tel: 03-578-4208#1012 / 0934-368308 email: yenchen@nspo.narl.org.tw
國研院太空中心 余憲政 tel: 03-578-4208#8273 / 0922-432275 email: hjyu@nspo.narl.org.tw
國研院太空中心 張斯倩 tel: 03-578-4208#8093 / 0926-252237 email: chien@nspo.narl.org.tw
國研院院本部     李名揚 tel: 02-6630-0622 / 0931-162081 email: tomlee@narlabs.org.tw

備註:

註1:福爾摩沙衛星三號三頻標識訊號接收機:於2006年4月發射的福衛三號,搭載著「三頻標識訊號儀」,會對地面發射三個頻段(150、400、1067MHz)的無線電波訊號,經由分佈各地之「三頻標識訊號接收站」接收後,推算出高度90~700公里範圍內之電子密度分布。

註2:電離層不規則體:是電離層裡電漿分布不均勻的結構,出現高度在80~280公里之間,大小尺度從幾千公里到幾十公分都有。

註3:赤道電漿噴泉效應:地磁赤道(台灣經度上的地磁赤道約在地理緯度北緯9度處)附近的電離層電漿,在白天時會受到高空電場與地球磁場交互作用,而像噴泉式地向上、向南北(北半球向北、南半球向南)舉升。

註4:赤道異常區:被「赤道電漿噴泉效應」舉升的電漿,會因地球重力牽引,在地磁南北緯10~15度(台灣約位於地磁北緯13~16度之間)、高度300~350公里的高空大量堆積,成為地球上電漿粒子濃度最高的區域,稱為「赤道異常區」