臺灣太空發展系列：立方衛星

立方衛星是體積小、重量輕、成本低、固定規格的人造衛星，是現在全世界有志投入衛星發展的入門款。臺灣2001年有枚立方衛星「蕃薯」，可惜最後未能升空。第一枚成功發射、運作的立方衛星是2017年，成功大學的「鳳凰」。2021年則有中央大學的「飛鼠」、騰暉電信科技公司等的「玉山」發射升空。臺灣每年都有立方衛星任務的設計競賽，有興趣的讀者不妨關注。

撰文｜許世穎

 

 

立方衛星

從1957年發射第一顆人造衛星到現在，人類已經發展出了各式各樣的人造衛星。隨著人造衛星愈來愈普及，大家開始尋求一些方法，讓衛星發展更有效率。加州理工州立大學教授 Jordi Puig-Suari和史丹佛大學教授Bob Twiggs在1999年共同提出了「立方衛星（CubeSat）」的概念。尺寸的基礎單位為「1U」，是邊長10公分的立方體（圖1）。這類衛星體積小、重量輕，因此研發成本低，送上太空也容易，因此成為許多人進入衛星開發的入門款。

 

以「1U」此為基礎，主要有1U、1.5U、2U、3U、6U、12U等六種不同的規格。最大的12U意思是「體積是1U的12倍的立方體」。立方衛星就像樂高一樣可以互相堆疊（圖2），這對於大量送入太空格外有幫助！由於立方衛星比較小，要送上太空的話，一次要送一大批上去才符合成本。這些立方衛星可以放在被稱為「分發器（CubeSat Dispenser）」的盒子裡，到了太空以後再彈出去。由於這些衛星外觀可以堆疊，因此有些分發器的設計就能彈射多個立方衛星（圖3）！

 

另一個好處是，由於有了統一的規格標準，因此各個單位要互相交流都變得更加容易。這個概念跟A4、B5等紙張尺寸很像。任何人都可以自己決定紙張的大小，可是在同一個尺寸的規範下，要印書、要做筆記等都更有效率。

 

 

臺灣早期的立方衛星發展：「蕃薯」與「PACE」

臺灣最在2001年就有立方衛星的相關發展，當時國家高速電腦中心（今國家高速網路與計算中心）主任莊哲男，在美國德州農工大學、成功大學、國網中心等開設的遠距課程專題，就是要分組設計一枚立方衛星。而後國家太空中心在國科會的支持下，委任成大航太中心支付相關費用，爭取到美國史丹佛大學合作發射的計畫，能夠實際將一枚立方衛星發射升空。臺灣的第一顆立方衛星「蕃薯（YamSat）」就這樣從課堂上的衛星設計圖，轉變為真正的衛星。可惜，據方振洲在《科學月刊》所寫，當時受到國際政治的影響，最終「蕃薯」未能如願發射。直至現在也暫無發射計畫。

 

臺灣下一個與立方衛星相關的計畫是成功大學的「姿態控制實驗平台（Platform for Attitude Control Experiment，簡稱PACE）」，是一個2U的立方衛星。這個計畫主要為立方衛星本身姿態控制的實驗，2014年第一次嘗試升空，然而合作的火箭飛到一半卻因系統異常而折返。數個月後換了另外一家火箭公司，可惜升空以後失去了無線電訊號。

 

臺灣第一顆成功運作的立方衛星：「鳳凰」

2017年的「鳳凰（PHOENIX）」是歐盟「QB50」計畫的其中一顆衛星。「QB50」的科學目標之一是要研究外層大氣，這項研究需要用大量的衛星，因此歐盟打算使用體積小、重量輕、成本低的立方衛星。「QB50」集結了超過20個國家合作，計畫要發射共50個立方衛星。由於這些衛星技術相對低，因此也加強與教育的連結，希望讓更多學生有製作衛星的經驗與機會。

「QB50」最後只有36個衛星成功升空，2U的立方衛星「鳳凰」就是其中一個！「鳳凰」計畫是由成功大學莊智清教授擔任主持人，帶領研究生團隊一同完成。「鳳凰」在2019年退役，共順利地運作了兩年，遠遠超出起初設計的三個月！

 

玉山、堅果、飛鼠

2017年國家太空中心執行「臺灣新興太空產業領航計畫–微衛星發展」，公開招募三枚立方衛星的提案，打算補助國內3顆立方衛星上太空。經過遴選後，這三顆雀屏中選的衛星就是「飛鼠（IDEASSat）」、「堅果（NutSAT）」、「玉山（YUSAT）」，尺寸分別是3U、2U和1.5U。

 

「飛鼠」是中央大學與美國科羅拉多大學波德分校（CU Boulder）、印度太空科學技術研究所（IIST）的合作成果，科學目標是要研究外層大氣的性質。去年（2021）1月24日藉由美國太空探索公司（SpaceX）的獵鷹九號火箭（Falcon-9）發射升空，最初的20多日順利運作，後來斷斷續續還接收到一些「飛鼠」傳回來的資料。最後在同年9月正式退役。

（延伸閱讀：【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）

 

「玉山」由騰暉電信科技公司、海洋大學等共同研製。可以監控船隻的位置，讓航行更為順利。「玉山」和「飛鼠」在2021年一同發射升空，發射後10幾天才首次收到「玉山」回傳的訊號。從資料中解析得知，「玉山」大致上運作順利，但充電功率不如預期，可能因此讓發射訊號變得相當微弱。接下來數個月，地面接收站仍斷斷續續接收到一些零星的資料，可惜都無法有效地解譯出來。「玉山」最後在同年10月退役。

「堅果」則由虎尾科技大學研製，「堅果（nut）」這個名稱來自於虎尾科技大學校徽中的「螺帽（nut）」，科研目標是讓飛機航行更為安全。不過目前還沒有發射升空。期待飛鼠接下來的表現！

 

未來的計畫

現在臺灣也還有其他的立方衛星計劃正在進行。舉例來說，中央大學的「珍珠」計畫，目標要在2023、2025年各發射2顆立方衛星，成為一個臺灣的立方衛星系！

立方衛星的出現大大降低投入衛星研發的門檻，受到了全世界太空科技教育的重視。過去這幾年可以看到，臺灣已經有不少學校、產業開始投入發展。而國家太空中心（NSPO）在今年8月也開始開設立方衛星的設計課程，讓產、學、研各界更了解相關的資訊。近年國家太空中心主辦的太空研討會「iCASE」也每年都舉辦立方衛星任務競賽，刺激學生們發揮創意、提出可行的應用構想。有興趣踏入太空的讀者，不妨從這個競賽開始關注吧！

 

 

參考資料：

1. 方振洲（2020）。臺灣立方衛星的過去、現在與未來。 科學月刊 ，610
2. 呂文祺（2021）。守護飛機的航線與安全——堅果衛星。財團法人善科教育基金會科技大補帖