衛星的構造、形狀及一生,福衛五號出生了沒?

圖片來源:https://explorecuriocity.org/Explore/ArticleId/3080/satellites-1

衛星是放置在太空的人造物體,正確說法為人造衛星,以免與月球這個天然衛星混為一談。1957年蘇聯發射第一顆人造衛星Sputnik 1,而它的壽命在短短一年就結束。以下簡要說明為何衛星有奇怪的構造與形狀?

【衛星的構造】

人造衛星由「酬載」(Payload)和「衛星平台」(Bus)兩大部分構成。

● 酬載:

是指為了實現該衛星的應用目的所設計的各種儀器設備,如:福衛五號是遙測衛星,它的酬載主要就是光學鏡片,同理,福衛三號的酬載主要就是氣象儀器。

● 衛星平台:

是用以支撐酬載正常工作及運行於衛星軌道的平台,就好比不同的貨車(Bus)可運載不同的貨物(Payload)。當然,衛星平台只要功能合適,也可能搭載不同類型的酬載,以GEO通訊衛星的衛星平台為例,可以共用許多形態的GEO商用通訊酬載,例如:Lockheed Martin公司的A2100衛星平台就是針對GEO商用通訊衛星所設計的衛星平台,可搭配數種GEO商用通訊酬載,快速製成通訊衛星。

● 由實例認識酬載與衛星平台:

福衛三號的酬載與衛星平台兩大部份,見圖1。

福衛三號酬載:微電離層光度計、磁力儀、三頻信標天線。

福衛三號平台:太陽能板、GPS精確軌道確定天線、推進器、GPS天線。

圖1:福衛三號構造

觀察一般通訊衛星的酬載與平台,見圖2。平台包含天線、太陽能板,姿態控制等等。

圖2:通訊衛星

● 酬載(Payload)的種類舉例:

1. 天文衛星的天文觀測儀器。

2. 通訊衛星的通訊系統。  

3. 遙測衛星中的光學衛星的光學鏡片、SAR 衛星的SAR儀器。

4. 導航衛星的定位系統。

5. 軍事偵察衛星的軍事偵測儀器。

6. 氣象衛星的氣象觀測及資料收集。

● 衛星平台(Bus)的子系統概述:

1. 結構化子系統

    保持結構完整性和穩定性。

2. 遙測子系統

    接收、發送數據。

3. 電源子系統

    將太陽能轉換為電力。

4. 熱控制子系統

    保護電子設備免受極端溫度的影響。

5. 姿態和軌道控制子系統(又稱姿態控制)

    使衛星處於正確的軌道位置。

【衛星的形狀】

大部份人會以為衛星都是大同小異的形狀,但實際上為了因應不同的酬載功能,衛星大都設計出不同的形狀,也就是衛星平台會長的奇形怪狀,見圖3至圖7。所以千萬不要以為衛星都長的一樣,絕大多數都長得非常不一樣。

圖3:SAR-Lupe衛星 (來源:OHB-System AG)

圖4:GOES-8氣象衛星

圖5:MISTAR通訊衛星

圖6:美國DSP紅外線間諜衛星

圖7: NASA的CYGNSS衛星星系(八顆),任務是颶風預測

有很多人直覺地以為衛星應設計成球狀,事實上,第一顆人造衛星Sputnik 1就是球狀,見圖8。球狀的特性是在相同表面積下,球形的體積最大,也就是內部可以收納最多的儀器,並可以節約外部保護的材料;而且球形是除了流線型外比較不受阻力的形狀。但是這樣的想法是陷入了只在地球上的思考框架中。思考一下衛星是在哪運作?是在外太空,近乎真空,所以根本沒有空氣阻力,故衛星不用考慮形狀。也因為太空曠幾乎沒有東西會攻擊到衛星,所以也不需要外殼來包覆保護,只需要材料能抗極端冷熱(一天之內經歷攝氏-200到300度的變化),保持儀器正常運作即可。故衛星會長的怪模怪樣,也正是設計原則中的形隨機能(Form follows function)的最佳體現。

圖8:Sputnik 1

【衛星的一生】

人造衛星的一生可分成幾個階段:

(1) 製作完成後,地面測試,讓運載火箭承載衛星,發射到指定高度。

(2) 開始運作,實際應用。

(3) 任務或壽命結束(喪失功能,繞地球轉或遂漸墜落燒毀)。

人造衛星能夠成功發射出去並執行任務,單憑衛星本身是不行的,而需要多個系統合作,而最重要的是1.火箭發射系統(目前台灣委託美國發射)。2.衛星應用系統如預期操作。

製作完成後的地面測試,必須非常完整,而且要有記錄。因為當衛星升空後,就很難修正問題。如果要在太空中修正硬體的問題,必須派太空人去修復,如:哈伯望遠鏡。但台灣沒有太空人、太空梭等等太空資源,所以根本無法修正硬體的問題,故地面的測試要非常嚴謹,不然幾乎無法修復。

【結論與建議】

由本篇可知衛星結構與形狀為何如此多樣化,也了解到衛星任務的成功,有兩大部分,第一是發射成功,第二是能發揮預期效果的應用,兩個部份都達到才能算是成功。

台灣福衛五號的現況是發射成功,但應用是否成功仍待驗證中,所以福衛五號目前不能說是任務成功,而僅能說發射成功。特別要注意的是發射系統是由美國負責,與台灣無關。所以台灣自製的福衛五號衛星是否成功,不能用發射成功來混淆視聽。正確的公開說明應是「美國火箭發射台灣衛星福衛五號升空成功,但福衛五號衛星應用功能仍待驗證中」。

參考太空中心過去的經驗,福衛二號的遙測影像會被SPOT IMAGE認同與使用,同理福衛五號的遙測影像也可送到SPOT IMAGE檢驗,看對方是否認同與使用,就能證明福衛五號的任務是否成功,而不能只要有影像加上地面「修圖」就自認為是成功,必需要客觀檢視失真程度是否在預期範圍內。

福衛五號影像修正工作已超過二個月,超乎尋常。國研院或太空中心應該回頭檢查到底是哪一個環節出了問題?建議組專業人士(非所謂的學者專家) 詳細檢視發射前地面測試過程及記錄,找出問題。如果在地面測試就己未達預期效果,就不該發射衛星上太空,如果地面測試達預期效果,發射衛星上太空還未達預期,就要去思考哪裡出了問題。但最重要的第一步是公布發射前地面測試及過程,才是正確的SOP。福衛五號花費人民五十六億台幣,政府有必要釐清事實,不可敷衍了事。

最後思考一下已發射出去的福衛五號,是正常出生了?又或是一個功能不如預期的早產兒?