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太空科學新要角——立方衛星

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發表於 2011-5-6 17:24:40 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
重點提要
■標準化的人造衛星製作技術,已經使太空任務成本更低廉、技術也更容易取得。
■這類總體積1000立方公分、重量一公斤的立方衛星(CubeSat)通常由許多通用的元件組成,可以跟著其他任務的火箭一起升空。
■CubeSat的開發期間可短至一年,還可連接太空感測器網絡,大多數也會在短時間內落回地面,因此不會增加軌道上的太空垃圾。
■各大學、公司、國家,甚至有興趣的個人,都可利用CubeSat執行嚴謹的科學任務,從大氣物理到微重力實驗,都可藉此進行研究。

自從50多年前蘇聯的史波尼克號(Sputnik)揭開人造衛星時代的序幕以來,天空就一直是大型機構的勢力範圍。目前在地球軌道上取得一席之地的幾千枚人造衛星,幾乎都是各國政府和大企業執行大規模計畫的成果。幾十年來,人造衛星一代比一代複雜、昂貴,設計耗時更久,而且還必須有成本高昂的發射裝備、全球監控站、任務執行專家和研究中心做為後盾,才能竟其全功。

不過,電子學、太陽能和其他相關科技近幾年來的進展,讓我們把人造衛星的尺寸大幅縮小了。稱為「立方衛星」(CubeSat)的新型人造衛星不僅可讓小型衛星的設計大幅簡化並標準化,還可將單一人造衛星的開發、升空及運作成本降低到10萬美元以下,與美國航太總署(NASA)或歐洲太空總署(ESA)的典型任務預算相比,只是九牛一毛。

CubeSat的大小和玩具紙盒相仿,而直到最近,大多數科學家也仍認為CubeSat和玩具相差無幾。CubeSat的基本構想是提供人造衛星尺寸和重量的標準規格,再將許多顆人造衛星(分別由不同的科學家、研究生和工程師團隊製作)整合成單一火箭酬載,然後附加在成本高出許多、又有一點多餘空間的其他任務上一起升空。如此一來,火箭升空的高昂費用可以由所有參與的機構共同承擔。另外,CubeSat的設計標準可讓參與機構共用設計特性與技術,以及購買現成的組成元件。

CubeSat概念問世至今,美國、亞洲、歐洲和拉丁美洲的科學家已經成功發射了至少20多枚CubeSat,功能五花八門,從微重力環境下的生物醫學實驗到研究高層大氣都有。CubeSat成本低、開發時程短、使用者遍佈全球,又適合當做教學工具,因此越來越普及,大學研究團隊(成員通常是大學生及研究生)在世界各地迅速增加。CubeSat也使小國家、新創公司,甚至高中研究團隊有機會發展自己的太空計畫。發射成本或許很快就能降低到一萬美元左右,就連沒有接觸過太空科技的人也有機會參與。我們認為,CubeSat將在太空科技領域產生如同30年前蘋果二號在電腦領域發揮的效用:將眾所周知但以往門檻甚高的技術,下放到一般大眾手中。

CubeSat標準化
重量只有數公斤的小型人造衛星,從太空時代一開始就已出現,史波尼克一號的重量僅略多於80公斤。但是隨著火箭推力越來越大,人造衛星也變得更大、更複雜,目前常見的通訊或研究衛星往往重達數公噸。

在此同時,微型人造衛星,也就是重量介於10~100公斤的人造衛星,已經被排擠到太空科學的邊緣,但一直沒有完全消失。舉例來說,大氣科學家使用這類人造衛星探索電離層,也就是地球表面上方80~600公里左右的大氣層,而業餘無線電軌道衛星「奧斯卡」(OSCAR)更從1960年代就開始替「火腿族」(無線電愛好者的暱稱)傳遞訊號。但是直到1980年代,在電子微型化和精密製造技術與微機電系統(例如常見於iPhone和汽車安全氣囊等裝置中的超小型加速度感測器)發展的輔助下,小型人造衛星的潛力才開始發揮出來。

到了1990年代晚期,我們已經有能力製作出僅一公斤、而且實際可用的人造衛星了,它可大幅降低開發和發射費用,同時激勵研發人員探索新的任務設計方式。NASA也在積極鼓勵工程師提出成本更低的太空科學研究方法。

因此,本文作者之一特維格斯(當時任職於美國史丹佛大學太空與系統開發實驗室)和加州州立理工大學教授蘇瓦力(Jordi Puig-Suari)發現,如果要實現小型人造衛星的概念,必須進行一些標準化工作,就像原始碼開放行動一樣,以低廉成本創造出世界級的軟體。因此在2000年,這兩位工程師發表了CubeSat規格。這份10頁的文件確立了幾項簡單的原則:每個單位必須為邊長10公分的正方體(可增減1/10毫米),因此總體積為1000立方公分;重量不可超過一公斤;CubeSat也可製作成長方形,佔用二或三個實體單位的空間,稱為2U或3U CubeSat。

CubeSat以金屬框架保護容納其中的電子裝置、儀器、通訊器材和電力系統等。另外,CubeSat通常會在數個面裝置太陽能板,還會有天線從一端伸出。某些衛星可能不久後就會具備簡單的飛行系統,細小的噴嘴可穩定衛星的姿態,並讓衛星對準所需的方向。

由於採用模組化設計,這種衛星在升空時可裝置在標準框架中,框架每次可容納數枚衛星,就像禮盒裡的糖果一樣,火箭進入軌道之後,就將它們彈射出去。2003年,蘇瓦力發表了這類軌道部署器的設計,它能將CubeSat放置在美國及俄羅斯太空機構發射的火箭內,妥善地升空並佈放。同年,位於舊金山的Pumpkin公司推出第一組CubeSat套件,包含主機板、金屬框架、電池和太陽能板等立即可用的元件,讓幾乎不具太空任務經驗的科學家也能很快展開工作。

CubeSat的內部也跟製作CubeSat的團隊一樣來自四面八方。打開一枚衛星,或許會看到許多航太硬體和現有技術、客製化的科學儀器、取自先前太空任務的硬體、當地電子材料行買來的無線電設備、從個人電腦拆下或在eBay上買來的電腦硬體等。

剛開始,CubeSat社群成員是以彼此的經驗、成功故事和設計技巧為基礎,新成員很快就會發現,CubeSat社群除了酬載之外,什麼都可以共享。開發人員發現有用的點子時(例如某款火腿族無線電設備在太空中的有效距離比另一款來得長),會跟其他CubeSat設計人員分享。

不久之後,我們發現學生也很喜歡CubeSat,而且能從中學到很多。參與傳統航太工程計畫的學生執行的是理論計畫,或設計大系統中的一小部份,這些東西往往要到他們畢業多年後才會進入太空。相反的,CubeSat可以讓學生親身參與,可以由一個團隊在一間房間中合力建造,一、兩年內就能製作出實際可用的人造衛星,非常適合當做論文主題。學生必須自己負責CubeSat計畫,大學部學生也可擔任專案經理和任務專員,可以看到自己的作品進入太空,是激勵大家努力工作的誘因。對於教育工作者而言,CubeSat相當有吸引力,因為它的工程問題和大型衛星相同,可讓學生更深入、更完整地認識人造衛星的設計。
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