【CASE 特報】立方衛星「飛鼠」的驚奇冒險 - 專訪中央大學太空科學與科技研究中心 張起維 副主任

 「飛鼠」是來自臺灣的立方衛星,它的誕生要從張起維教授昔日同窗的一封邀請說起。在教授的帶領下,「飛鼠」聚集了臺灣、美國、印度等學生的努力,經過一連串驚險的插曲後,在2021年發射升空。「飛鼠」雖然沒有達成所有原先設定的目標,但它留給臺灣無可取代的經驗。

受訪者|中央大學太空科學與科技研究中心 張起維 副主任

採訪、撰文|許世穎

 

2021年1月24日,在美國佛羅里達州卡納維爾角空軍基地,一枚裝了140多枚衛星的火箭升空了,來自中央大學的「飛鼠(IDEASSat)」位列其中。這枚10公分x10公分x30公分的立方衛星,肩負著30多位中央大學師生的夢想,向著宇宙前進。

 

從中央大學飛至太空的「飛鼠」

「飛鼠」的誕生要談到多年前的一封邀請。計畫主持人、同時是中央大學太空科學與科技研究中心副主任的張起維教授(圖1)接受採訪時表示,2015年時他收到過去同為博士班同學的聯繫,邀請中央大學與美國科羅拉多大學波德分校(CU Boulder),以及印度太空科學技術研究所(IIST),一同合作教研計畫「國際研究教學衛星計畫(International Satellite Program in Research and Education,簡稱 INSPIRE)」,讓三所學校的學生們可以共同設計、製作出一系列的立方衛星。這個計畫後來延伸到更多的機構,其主要的科學任務,是研究海拔60公里以上到1000公里的高外層大氣性質。2016年的工作坊中,開始進行第一枚立方衛星「INSPIRESat-1」的構想。

圖1、「飛鼠」與張起維教授合照。圖片來源:中央大學新聞網,張起維教授授權

 

隔年(2017)國家太空中心執行「臺灣新興太空產業領航計畫–微衛星發展」,要補助三枚立方衛星發射升空,希望鼓勵國內立方衛星的發展。中央大學的團隊將INSPIRE的第二枚衛星提案後雀屏中選,與另外兩個團隊的提案「玉山(YUSAT)」、「堅果(NutSAT)」一同獲得補助。

這枚立方衛星起初只有英文名稱「IDEASSat/INSPIRESat-2」,前半部的源自於科學目標,後半部的意思是INSPIRE的第二枚衛星。不過在國家太空中心的要求下,團隊必須幫它取一個中文名稱。中央大學的吉祥物是松鼠,張起維教授笑著解釋:「松鼠飛起來的話,那不就變成飛鼠了嗎!」

 

未知的挑戰,驚險的研發

團隊過去並沒有製作立方衛星的經驗,因此有許多東西都只能變做邊學。時程非常趕,過程也十分驚險。在系統最後的功能測試時,飛行體的收發器竟然燒壞了(圖2)!檢查後才發現當初的天線設計有誤,必須重新設計天線,還必須將衛星的飛行體部分拆開、將收發器取出,送回美國搶修。張教授表示:「這是個很困難的動作,也是個高風險的動作,因為衛星的飛行體的設計,本身就不是拿來給你拆解的!」若要部分拆開這個小小的立方衛星,就得花上幾天。萬一有些零件在拆除過程中損壞,甚至可能造成數個月的延誤!而這時距離交付給發射廠商的時間只剩下不到一個半月!

圖2:「飛鼠」在大屯山的功能測試,在此燒壞了元件。圖片提供:張起維教授。

 

團隊面臨抉擇,如果就這樣直接將發射衛星升空,衛星還是可以執行任務、傳送科學資料、收到地球傳過去的指令。唯一不能的,就是將自己飛行的狀況回報給地球。「大家心裡面也是很折騰。」張教授回憶「等於說衛星上去的話,我們的飛控(飛行控制)就跟瞎子一樣」。後來團隊決定還是決定,要盡最大的努力讓「飛鼠」以最完整的狀態上太空。因此花了兩天把衛星解體,將零件拆出來送往美國搶修。

零件進口回臺灣時又遇到了另一個插曲,由於貨運公司疏忽,忘記事先備妥出口證明,導致這個元件重新入關時需要再次經過國家通訊傳播委員會(NCC)的審查。要求貨運公司補件時,對方竟表示需要額外兩週的時間。在助理的嚴正交涉下,張教授才得以在隔日一早就開車前往桃園機場取得出口證明、到臺北小南門NCC獲得進口許可、再回到機場取回零件。

對「飛鼠」的考驗還沒有結束。衛星在發射升空以前,必須經過一系列的測試,有些測試甚至要重複數次!其中一項「振動測試」,是要模擬衛星隨著火箭升空時的環境,確保衛星在這樣的振動以後,所有結構、功能依然完好。為了克服振動帶來的影響,每一顆螺絲、每一個接點、每一條接線都必須要用特殊的黏膠或膠帶固定(圖3)。之前「飛鼠」雖然已經通過振動測試了,但因為拆開來再組裝過,所以必須要全部重來。第一次振動測試順利完成,第二次振動測試結束以後,團隊將衛星從彈射筒中取出時,團隊成員竟然聽到衛星盒子裡有東西滾動的聲音。打開衛星以後,才發現有一顆螺絲沒上到膠!

圖3:衛星所有的接線、街頭、螺絲等都要用特殊的黏膠或膠帶固定。圖片提供:張起維教授。

 

團隊們重新補膠、徹底檢查以後,離交付只剩下一週的時間。原則上又再重新接受振動測試,可是振動測試的艙體早就排滿隊了,而且「飛鼠」除了振動測試以外,後面還有一連串其他測試項目必須進行。由於已經明確知道問題點、確實排除問題,徹底檢查所有其他需要上膠的地方了,團隊斟酌以後,決定先照規劃完成剩下來的項目,發射廠商也同意這樣的安排。最後終於成功地在期限的前一、兩天完成了全部項目,打包送至位於荷蘭的發射代理商。

 

2021年順利發射!

2021年1月24日,「飛鼠」與「玉山」和世界各國140餘枚衛星,搭載在美國太空探索公司(SpaceX)的獵鷹九號火箭(Falcon-9)上發射升空(圖4、圖5)。發射後4小時,歐洲的地面接收站接收到「飛鼠」傳來的訊號,航行的前22天,「飛鼠」的狀況依然持良好,但在這之後與地面站失去聯繫。又一個半月以後,地面又重新與「飛鼠」連上線(圖6),從下載來的資料中推測,應該是電力子系統的電路耐受不住宇宙中的輻射而損壞。又經過了幾個月的努力以後,在同年9月正式宣佈退役。

圖4、飛鼠」與「玉山」搭乘獵鷹九號火箭成功升空。圖片來源:Yahoo奇摩新聞,標示為中央大學提供,張起維教授授權。

 

圖5:「飛鼠」與「玉山」搭乘獵鷹九號火箭成功升空,團隊慶祝畫面。圖片提供:張起維教授。

 

圖6:「飛鼠」與「玉山」搭乘獵鷹九號火箭升空。圖片來源:中央大學新聞網,張起維教授授權。

 

「飛鼠」留下的寶藏

「飛鼠」並沒有完全達成當初設定的所有目標,但團隊從中學習到了很多。除了更加體認到太空環境的嚴苛以外,在工程上更獲得了無可取代的經驗。張教授認為其中一項,就是整合測試要愈早開始愈好,就算子系統還只是原型也沒關係。張教授解釋:「很多時候都是小問題,但是整合的時候才會發現。」衛星畢竟是由多個部件整合在一起的,及早進行整合測試,才能及早發現各自獨立雲做時不會出現的問題。

太空環境是充滿未知與凶險的地方,但人類藉由一次次的嘗試與挑戰獲取經驗,不斷向著迷霧的深處拓荒。張教授表示,中央大學現在也還有數個立方衛星正在開發。舉例來說,明年(2023)預計要發射立方衛星系「珍珠(PEARL)」的其中兩枚衛星。雖然每一枚衛星都有各自的挑戰,但相信這枚從中央大學飛至太空「飛鼠」,能讓未來的後輩們更加順利。

 


【CASE 特報】系列文章將透過採訪與相關專業人員的共同視角,忠實報導台灣科學發展最前線

編輯的話:

本期特別感謝特約編輯許世穎執行採訪與撰文,也特別感謝張起維教授接受訪談、授權相關圖片使用等資源,希望本系列報導能為讀者分享台灣科學發展與背後的有趣故事,透過這些故事告訴大家,其實,真的有很多人在為台灣執行很棒的計畫喔!

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