【人物專訪】太空任務的基石:軌道力學設計 —— 專訪蕭富元教授

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4/15 (六) 蕭富元教授主講:「軌道力學 – 人類文明的救星?

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淡江大學航空太空工程學系系主任 蕭富元 教授(與系上自行研發的火箭)|講師提供

採訪、撰文|李宜靜

審定|蕭富元 教授

 

美國太空總署NASA在去(2022)年12月完成了阿提米斯1號計畫,無載人的獵戶座太空船在月球繞行20多天後返回地球,這是繼1972年阿波羅計畫任務之後,美國再次啟動的登月計畫。這本是美國自己的登月計劃,近期更發展為多國合作,例如日本也於近日招考了兩位太空人,吸引4127人報考,未來將參與此計畫登入月球。人類持續對外太空感到好奇,甚至會想移居到外太空,找到人類另一個適合居住的地方,同時也形成一種展現國家實力的方法。

在臺灣,航太領域的研究也自1990年代起,因建立國家太空中心而開始逐漸有了進展,蕭富元目前是淡江大學的航空太空工程學系的老師,這次的太空系列講座將由他以軌道動力學為開頭,以科學視角帶聽眾進入對太空任務的想像。說起對航空領域的初識,在小學時就對太空的世界很感興趣,也是因為知道了第一位登上太空的華人王贛駿而嚮往這個領域,因此最後選擇進入成大航空太空工程學系就讀。大學時期曾修習太空相關課程、於暑假期間至聯胺微推進器發展團隊見習,於大四時以 GPS 的應用為其大學專題,並參加當時成大工學院發展微衛星的計畫團隊。對太空充滿熱情的他,由於當時航太領域在臺灣還在剛萌芽的階段,因此畢業後選擇到美國繼續就讀碩博士,回臺後因為喜歡在學校的自由氛圍,且對於教學有興趣,而選擇教職繼續在航空領域深耕。

 

在密西根大學的日子,影響了現在的教學經驗

說起剛在美國密西根大學就學的日子,因為一次的解題經驗,讓他感受到美國教育和臺灣教育的不同。起初,他發現有些同學在解題時,會從基本定理開始推導,也因此多耗費了許多時間。而他則從小習慣直接帶入公式的計算方法,然而卻沒想到,這次老師的出題並不符合公式原始假設,因此直接帶入公式並不能找到正確答案。他認為美國的教育重視基本定理,臺灣則重視背公式和計算速度。這也影響了他現在的教學觀念,若科學要有所進展,理解最基礎的定理是第一步。不過就他回到臺灣任教的觀察,考試題目要求闡明定義或假設前提時,學生的表現仍然不如僅考計算題來得好。

 

軌道設計影響任務的成敗,也許冷門但重要

蕭富元以軌道設計與分析為他主要的研究主軸。軌道設計,基本上就是告訴衛星如何前往目的地或是執行任務的路線,若是執行任務前,軌道沒有經過良好的計算及模擬,就可能會造成收訊不良,甚至影響任務的成敗。前蘇聯過去發射太空船時,曾因為沒有將地球的重力不平均的狀況加入計算,而導致軌道繞行與預期不符;美國NASA於1999年發射火星探測衛星時,也曾經因為沒將英制單位換算成公制單位,而導致任務失敗。他說軌道力學在臺灣目前的航太發展,是相對冷門的研究題目,然而時常任務中的通訊穩定度、任務需求都依靠著在這些精密的計算及模擬,也因此這是蕭富元在這次講座中將會從軌道動力學切入的原因。此外,由於軌道力學較為冷門,許多文章或網路上的影片在介紹相關的太空任務時,多著中在其緣由、發展、以及成果,較少機會談到軌道力學在任務過程中所扮演的重要角色。

 

除了培育航太的專業人才,也期待各領域的人能夠加入

航太是一項整合性的科技技術,需要電機、資訊、機械的專業知識及人才加入。對蕭富元來說,航太學系在培育人才上,有其特殊性,他們教的是如何將各學科的專業知識整合應用在航空工程上,例如運用機械、電機領域的控制理論於航太飛行器上,以及近年來運用人工智慧的技術於太空探測器上,使得探測任務的時間可以延長或者增加精準度。

 

進入外太空,也為身在地球的我們產生新可能

美國和蘇聯從冷戰時期開啟了太空競賽,展現國力。如今,太空產業除了是各國軍事競賽的戰場之一以外,也提供救災服務。例如今年2月土耳其發生強震,臺灣的福衛五號衛星提供清晰的航照影像,協助救災單位快速判斷災情,提高救災效率。人類因為好奇或者想展現國力而進入外太空,同時這項技術也為人類的生活產生更多了可能性。蕭富元舉例,今日在生活中非常方便的紙尿布,起初是當人類進入太空時,為了能夠解決太空任務期間的生理需求而改良至完善的產品。

另外航太的發展也可以解決通訊問題。在地狹人稠的臺灣,設置通訊基地臺,在時常會面臨到地形限制,在一般住宅區也容易因為電磁波的風險遭到居民反對設置。然而,若是能夠使用衛星通話,則可以降低這些限制。說起航太領域對人類的重要性,雖然蕭富元隨口就可以舉出很多實際的例子,然而他認為臺灣目前發展仍相對緩慢,其中一項因素是因為太空產業需要長久的時間成本才會回收,投資成本相當高。但若臺灣能從現在起,持續投資太空領域,甚至規劃、發展我國的火箭技術、外太空探索任務,總有一天能收穫滿滿,成為另一座護國神山。

 

 


探索講座第29期:太空時代再起—— THE NEW OCEAN
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