臺灣太空發展系列:立方衛星

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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

 

圖片出處 成功大學

 

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。

圖1、立方衛星的最小基礎:1U。是個邊長10公分的立方體。圖片來源:Bjørn Pedersen, NTNU/Wikimedia Commones

 

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)!

圖2、各種規格的立方衛星造型,就像樂高一樣可以互相堆疊。圖片來源:NASA

 

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。

 

圖3、立方衛星的分發器(CubeSat Dispenser),在太空中可以將立方衛星彈出去。圖片來源:NASA

 

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。

圖4、「蕃薯」立方衛星。原先計劃中,1A要發射升空,1B則為備用及展示用。圖片來源:國家太空中心

 

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!

圖5、「鳳凰」立方衛星示意圖(左)以及研發團隊(右)。圖片來源:成功大學。

 

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。

圖6、三顆獲得2017年國家太空中心補助的立方衛星:玉山(左)、飛鼠(下)、堅果(右)。圖片來源:國家太空中心

 

「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
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