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衛星搭乘火箭抵達太空 – 抵達目的地的最後一里路

我們從台北家裡如何搭乘大眾交通工具,抵達高雄的外婆家呢?答案是搭乘公車到台北車站,然後轉搭高鐵到高雄,再搭乘公車到外婆家。那麼人造衛星要如何抵達太空的目的地,開始執行任務呢?

近來,全球包括台灣有許多大專院校,掀起研發「立方衛星」熱潮,運送大量立方衛星到太空的「共乘火箭」應運而生;在地球上只要搭乘飛機和火箭,很容易就將立方衛星送到發射場,安置在火箭上太空,但是當火箭抵達預定的高度時,逐漸釋放立方衛星到太空中,要走完最後的一里路,卻不是那麼簡單喔。

福爾摩沙衛星用攜帶的燃料抵達最後一里路

人造衛星搭乘火箭抵達太空,還有最後的一里路。太空中心福爾摩沙衛星系列都有自行攜帶的燃料,由地面操控中心在早期軌道操作階段,逐步調整衛星飛行軌道,最後抵達任務軌道。

例如太空中心去年剛剛發射成功的七號氣象衛星,搭乘SpaceX的獵鷹重型火箭(圖一)到太空,離開火箭以後,由地面操控中心指揮福衛七號六顆衛星分別調整變換軌道,走完最後一里路;由於每顆衛星所執行任務的軌道面不同,所以工程師需事先精確地計算,包括衛星高度,飛行軌道面與軌道的傾角等關係,應用地球球體為微橢圓球體的原理,大約每三個半月完成一枚衛星的衛星軌道面調整,均勻衛星的分佈以達到觀測全球氣象最大的效益。

太空中心地面操控中心,精細的下達指令,逐漸調整每顆衛星飛行軌道高度;最後將布置成涵蓋全球的星系(如封面圖)。於低傾角佈署6枚任務衛星,可以密集提供中低緯度的氣象觀測資料。

圖一:福爾摩沙衛星七號衛星搭乘火箭 (科技部網站)

花了20個月走完最後一里路

福衛七號衛星和其他計畫的衛星,共同搭乘獵鷹重型火箭升空,飛行約90分鐘以後,才輪到福衛七號離開火箭,這時候獵鷹重型火箭在地球上空,在大約720公里的暫駐軌道(Parking Orbit)高度,衛星以每秒7公里的速度飛行,六顆衛星在不同的時間間隔分別離開火箭(圖二);但是要這六顆衛星要走完最後一里路,抵達任務軌道,卻是大大的不容易。

進動(Precession)是自轉物體之自轉軸又繞著另一軸旋轉的現象,科學家們利用不同高度的軌道面有進動速率差的現象,以衛星攜帶的燃料調整高度,由太空中心地面操控站,逐顆調降衛星飛行的軌道高度到 550 公里的任務軌道高度;調降衛星高度經過108天,將和與其他位於 720 公里高衛星的軌道面,形成約 60 度的夾角,以此方式分別進行其他五顆衛星的軌道面調整。

加上衛星健康檢查以及軌道調整,地面操控中心最後花費將近20個月的時間,將六枚衛星的軌道面布置形成 60120180240300度的夾角,完成了星系的部署(封面圖),開始觀測氣象(圖三)

圖二:福衛七號的第1顆衛星離開獵鷹重型火箭的一剎那 (科技部網站)

圖三:福爾摩沙衛星七號提供中低緯度的氣象觀測資料 (科技部網站)

立方衛星搭乘接駁太空船走完最後一里路

立方衛星通常是新技術實驗的衛星,設計上比較簡約,大多沒有設計攜帶燃料。我國成功大學研發中的IRIS-A是搭載物聯網應用,以及為補償與地面站之都卜勒頻移,以增強下傳訊號品質之實驗;IRIS-B則搭載遙測光學酬載,任務目標為進行地球之地貌拍攝,並透過深度學型模型進行地面物件辨識,乃至災害預測應用。

成功大學的兩顆立方衛星,要抵達太空最後一里路時需要搭乘接駁太空船。在火箭運到太空釋放後,將由美國Momentus公司所研發的Vigoride太空接駁服務,立方衛星不用消耗燃料,就可以在太空變改軌道,最後抵達預定的任務軌道,並能延長衛星的工作壽命。

返回地球不會造成垃圾

Vigoride太空接駁服務的原理,利用太陽能將水以微波加熱至超高溫,透過噴嘴噴出產生動力,執行任務時用來變換太空軌道,當衛星任務結束時,還可以控制衛星返回地球在大氣層燒掉,不會造成垃圾給地球造成負擔喔。

圖四:成功大學立方衛星搭乘接駁太空船

圖片來源:http://www.parabolicarc.com/2020/04/04/momentus-to-launch-iris-a-mission-for-ncku-space-laboratory/