擁有自己的人造衛星:七件你該先知道的事

四月 30, 2014
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如果對你來說高空氣球還是不夠「高空」,如果你對太空科技的進展速度感到挫折,或者你純粹只是熱愛火箭和各種機械,發射一個屬於你自己的人造衛星絕對是個超棒的決定。但首先,你想要讓你的人造衛星執行什麼任務呢?

以下有七件事,是你在把你的人造衛星送上地球的星球軌道,讓它以一小時17000英里(約為27358.848 公里)的速度飛行之前,應該要知道的。

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在低地軌道上的國際太空站(ISS)拍攝的極光,照片資料來自美國太空總署(NASA)

皮米衛星是什麼?

皮米衛星(Picosatellite),以定義來說,是體積極小且輕量的衛星。

皮米衛星通常包含以下幾個部分:

  • 一組天線
  • 一臺無線電發射機,用來發射訊息以及下載衛星收集到的資料
  • 一個單片電腦,如:Aeduino Basix-X24
  • 一組供電系統,最常見的是太陽能電池、電池和電源匯流排

皮米衛星的前身為CubeSat,那是一種可以讓使用者在10cm×10cm×10cm大小的空間裡放入任何東西的結構。

CubeSat長的就像個可愛的南瓜,富比士雜誌曾經報導其中一家供應商-Pumpkin Inc.。這家供應商提供預先製造好的CubeSat小方盒,CubeSat的小方盒本身就自成一種規格,他並不是市面上任何一種現成產品的零組件,所以Pumpkin公司也預先製作好了CubeSat的工具組以供販售。如果你有自己的火箭可以用來發射你的CubeSat,你可以用7,500美元(約22萬台幣)的價格買到這個工具組。

TubeSat由InterOrbital Systems (IOS)所製造,與CubeSat十分相似的TubeSat雖然發射衛星的要價相同,但它在整體價格以及運作表現上都有相對優勢。IOS 和Pumpkin都不提供完全組裝,他們只附上工具組,讓太空科技愛好者可以親身體驗組裝的快樂,卻不必面對其在工程學上會出現的困難。

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TUbeSat 和 CubeSat是兩種不同樣式的皮米衛星,照片中以硬幣對照大小。

TubeSat 和CubeSat有些微的不同,而它們在提供消費者自行組裝的工具及機會這點上,同樣的令我感到興奮,雖然CubeSat的小方盒看起來很像恐怖片養鬼吃人Hellraiser》裡的那個神祕方塊,但這仍舊是太空研究商品化普遍化的一大契機

發射衛星得花多少錢?

在你將你的CubeSat組裝製作好之後,要找到一架火箭將它發射出去並不難,只是很貴而已。通常一次CubeSat的發射大約要花四萬美元(約120萬台幣)。目前已經有數家廣告商提出未來將會有專屬CubeSat的火箭,當然,這是在假設他們真的發展完成的狀況之下。除此之外,美國太空總署及國際太空站計畫都開始接受一些以CubeSat為結構體的提案。如今每年也有越來越多公司企業投入私人火箭發射的計畫,所以一般大眾參與火箭發射的可能性也日漸茁壯。

TubeSat的建築結構目前還是InterOrbital的一個概念性計畫,目前僅有InterOrbital資助這項計畫。TubeSat非常物超所值,購買後你會拿到主要的硬體構造,當他們正在發展製造中的火箭完成後,就可以用8000美元(約台幣23.8萬)的價格將你的TubeSat送上天空。TubeSat的本體是個12公分長,直徑4公分,長形的六角形結構。

當然,你也可以創造屬於自己的衛星結構體,如果你有發射火箭的管道的話(可能是某個學校或大學的航天計畫),但目前主要的兩個窗口還是CubeSat和TubeSat。

軌道?那在哪?

那你的皮米衛星會在哪裡運行呢?基本上皮米衛星是被設定在低地軌道(LEO)上運行的,低地軌道是一條寬闊的帶狀體,約150到600公里寬。在低地軌道中,還有許多科學衛星在運行,國際太空站(ISS)也位於這裡。低地軌道位於電離層中的下半部,電離層為大氣層中非常非常薄、與地球磁場有大量重疊的一部分。

地球磁場保護我們避免受到太陽的劇烈活動的傷害,因為太陽的高能量粒子、太陽耀斑的噴發、以及日冕物質拋射(簡單來說就是從太陽噴出來的東西)在接近地球時就會被磁場的力量轉向。而地球磁場的磁索會在極區交錯,從中迸發的高能量就是極光。

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從低地軌道拍攝到的極光景觀

在電離層上的太空環境因為太陽活動而十分惡劣,而在電離層下,太陽放射線的危害就小多了,這也是國際太空站(ISS)被設在低地軌道的原因,大致上來說,低地軌道是你在太空中能找到最安全的地方了,對你的皮米衛星來說,這可以說是最好的生存環境。

一般來說,低地軌道的運行周期為九十分鐘,也就是說,低地軌道每九十分鐘繞地球一圈,一天會運行大約十五圈。這些軌道可能位於靠近赤道的地方(赤道軌道),或者正好繞過南極與北極(極軌道)。不同的軌道可能會有不同的形狀,可能幾乎是正圓形,也可能是個偏心圓-也就是一邊的軌道離地球很近,一邊又偏離地球很遠。


我的衛星可以運行多久?

你的衛星的運行軌道,基本上是由你的火箭提供者決定,以目前太空探索的業餘愛好者的程度來說,你的衛星可能會被分配到標準的250公里寬軌道,或相似的圓形軌道,要不是赤道軌道就是極軌道。這些軌道(因為電離層的拉扯)大約可以撐到你的衛星再度被大氣層無情撕扯的前三到六周。

基本上這就代表你的衛星有去就無回了,你能從衛星收集資料的時間少於三個月,在這段時間之後,你的衛星會在重新進入大氣層時被蒸發(不過這也代表你不會留下太空垃圾!)。


上面天氣如何?

低地軌道上的生存條件與可能性

在電離層中,太陽的紫外線可以使空氣分子電離,自由的電子與正電荷的離子在合併前可以自由的活動,如此便形成了一個薄薄的、被稱為電離層的電漿體。電離層位於離地約50公里到10000公里之間(感謝維基百科!),而低地軌道從離地約150公尺開始延伸,低於這個高度,會因為大氣阻力而無法維持穩定的軌道。電離層因為受到太陽活動的影響,向陽的部分會產生比較多的電離,而且,太陽活動可以大幅地左右電離層的活動,地球磁場的傾角會導致低海拔地區的輻射增加,而極區和南大西洋異常區都有下沉的磁場線。

如果你要發射感測器上去的話,你該先確定以下兩件事:

  • 感測器對訊號的敏感度足以接收你想要測量的訊號。
  • 感測器的動態範圍足夠讓你擷取有效資料。


低地軌道上的溫度

在低地軌道上運行可能要面對攝氏零下170度到攝氏123度的溫度差距,因為在運行的過程中有向陽面與陽光照射造成的差別。如果你的皮米衛星會自轉,或許可以稍稍平衡溫度造成的干擾,不過這也只是假設。在一條低地軌道的運行周期裡,你的衛星大約會有一半的時間在陽光照射之下,而另一半的時間便是在地球的陰影裡,所以溫度表現的模擬是有其必要的。

因為皮米衛星會轉動,溫度造成的干擾會小一些(熱度會隨著時間逐漸分散消失),在90分鐘的運行周期裡,你會經過三個階段:太冷以致於資料無法存取、溫度漸漸到達可以存取有效數據的程度、然後慢慢變得太熱。你也可以為你的皮米衛星加上加熱器,通常衛星會依據其儀器配置,以及向陽面背陽面的不同配備加熱器或降溫器。

因此,一個可以涵蓋攝氏負40度到攝氏100度的熱感應器就可以滿足你的需求了(microDig的熱感應器),這個溫度範圍將是有效的測量範圍,不管在什麼情況之下,只要超過這個溫度範圍,你的衛星上的電子儀器就可能會出問題。

低地軌道上的日照

在低地軌道上,因為皮米衛星的轉動,測光器所偵測到的日光跟溫度表現差不多,同樣都是基於向陽面和背陽面的差異,所以測光器主要的任務就是測量出面向陽光的時間。而測光器的主要功能也因陽光的出現與否分為兩大部分,一為皮米衛星自轉所造成的明暗週期,以及在低地軌道上運行所造成的日夜週期。如果你的皮米衛星表現有些混亂,測光器就能以它偵測到的數據作測量,替你找出皮米衛星的所在位置以及可能發生的混亂。如果你希望偵測到真正的光照亮度,你得先確保妳的測光器可以承受大量的陽光照射。

低地軌道上的磁場

電離層上的磁力大概有0.3-0.6高斯,這個數據約會有百分之五的上下波動。極軌道上的變異性以及磁場強度都高於赤道軌道(因為地球磁場的磁索在極區交會,也因此而產生極光。)如果你想測量這些磁力的變化,而非磁力本身的話,你得試圖捕捉到0.06-0.1高斯的磁力訊號。一個台幣300元左右的霍爾效應感測器加上運算放大器,在沒有龐大的外部磁場的干擾的狀況下,最小可以捕捉到0.06高斯的磁力訊號。然而如果訊號小於這個數字,感測器電路產生出的噪音,將會成為限制因素。
 

太陽粒子(輻射)會造成什麼傷害?

這項任務的期間很短(少於三個月),所以你其實不必擔心輻射累積造成的傷害。過去我在學校中曾做過輻射損害的模擬,而結果顯示出了現今的電子學在短時間內茁壯了多少。起初你的電腦或感測器會因為單粒子翻轉錯誤而出現問題,但你並不需要百分之百的順時訊號記錄,所以這不會構成什麼問題。事實上,這些小小的訊號干擾或故障反而可以為你的資料蒐集添上有趣的一筆呢。或者假設你遇到了太陽風暴,不管感測器上出現了極限信號還是假性信號,觀察你的感測器將會是十分有趣的事。正比記數器或者其代用裝置(例如microDig Reach)就可以測量這些太陽粒子的數量。

接下來,是你最需要了解的事情。
 

問問自己:我的主要任務是什麼?

想想看你到底想要讓你的皮米衛星做啥?基本上這些任務可以分成三大類:科學目的、工程任務或者是表現藝術概念。可能是以衛星裝載測量儀器、裝載工程測試的硬體或軟體、甚至是用來做為高調推銷的藝術呈現,我們將會一一探討這些目的。

科學目的!

如果你的皮米衛星升空是為了科學目的,你將會進行測量,因為基本上科學就是由測量結果建構成的。你可以進行以下三種任務:同步定點衛星、衛星遙測以及工程建造。

同步定點衛星跟望遠鏡有點像,你的皮米衛星將會指向你感興趣的目標,例如太陽、月亮、星星、天空或者地球,然後觀察它。不過要記得,定點同步觀測地球是需要執照的,它並不難取得,但是你得知道在地球上,隱私權是被當作一回事的。

你也可以隨意定位你的衛星,不過這並不是一個好方法,你可以將你的衛星調整成環視模式,使它在他運行的軌道上固定指向某一個方向,你將可以觀察到每個掠過你的衛星上空的軌道,一如往常的運行著。或者,你也可以變動你的衛星指向,讓你的皮米衛星隨時指向你想觀測的目標。

相對的,非定點指向的衛星比較有挑戰性,你得非常精確的知道你的所在位置,並參考衛星運行的初始軌道、對於衛星將如何運行的預測,將這些可能的慣性資料整合在一起,然而,就算如此,對於定點感測的目的來說仍然不十分精確。因此,衛星指向的觀測通常需要星體追蹤器,由兩個以上的大視角望遠鏡組成,以望遠鏡看到當下的天空和星體位置,再將它與現存的已知星體比對。

星體追蹤是一項複雜的技術,而且這項技術一般來說已經超過皮米衛星所可以負荷的任務量,不過,在接下來的工程任務部分,你還是可以看到關於這項技術的進一步介紹。

皮米衛星另一項較常見的科學目的為遙測,利用衛星上的感測器來測量衛星所在位置的各種數據,並不需要指向。溫度計就是一種遙測的儀器,它測量衛星所在位置的溫度,而不需精確的指向某一定點來確保它有達到目的。

另一項在低地軌道上可進行的遙測,包括了電離層的電子以及磁場的測量。陽光或者地球反射出來的光線,可以用來測量電離層的密度,或者用來測量你所在軌道的運動方式及位置(也就是你運動的方式。)

或者,你壓根不想做什麼科學測量,你只想搭建些什麼東西,那你得繼續看看工程任務的部分。

工程任務!

工程用的皮米衛星會用來做太空硬體設備的概念實踐,也可以讓你練習搭建知名的太空硬體設施然後變點新花樣。

用皮米衛星來進行工程並試試任何一種硬體設備,例如:一個新的動力系統、一套新的定位方法、一種新的無線電發送方式或是轉播方法,或者是新的感測器。任何一項衛星中的硬體設備都是可以建造然後改進的。

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約85克重的可升空設備

某些皮米衛星的工程計畫是用來測試新的衛星推進力的,例如離子推進器或太陽帆(或稱做光帆),當然,是相對小尺度的測試。如果你想測試迷你充氣式太空站,或是你想做一個可以反射大量業餘無線電台訊號的皮米衛星,放手去做!

你也可以測試某些衛星組成素材,例如:將客製化的電子零件跟商用的現成電子零件做比較,看看衛星(任何尺寸大小的)是否可以用性價比更好的方式製造出來。你也可以測試新的資料壓縮方法、或是更多衛星的操作方法。

拓展新的衛星效能,是在工程領域中一項值得繼續深入探索的主題。皮米衛星用來測試衛星群體之間的協調性是再好不過了,他們也可以成為軌道運動學的實驗案例,或是成為展現衛星運作協調之重要性的一課。因為皮米衛星是目前可以上太空的方法中,最便宜的一種,他們是在進行千萬元起跳的太空任務前,最適合身先士卒、試試水溫的實驗對象。

藝術概念!

最後,我們來看看概念性的任務。我有一個裝載了各種遙測儀器的TubeSat,我將它命名為「卡利俄佩計畫」(卡利俄佩為希臘神話中掌管英雄史詩的繆斯女神),它可以將在電離層遙測到的各種資料,以音樂的形式傳送回地球,這個過程被稱為「聲化」。這個計畫的目的是為了呈現太空的節奏、韻律以及活動狀態,相較於單純的量化資料,我們可以透過這個計畫感受太陽和地球系統的活動。

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有了你自己的標誌後,整個任務就看起來有模有樣。

你可以用你發射的衛星做任何事,把骨灰或風馬幡送上太空,將你的婚戒送上衛星軌道,任何藝術、音樂或者結合各種形式的計畫都是可以實現的,因為那是你個人的衛星,只要你賦予它意義,而別只為發射衛星而發射衛星。
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「科學是什麼?」的示意圖 (圖片來自science20.com/skyday)

為人類解決時代性的問題

以下有個衛星的設計競賽,其中的重點並不在於你有沒有辦法造出一個衛星來,而是在於你是否能發想並規畫出有價值、有開創性的點子。

從以下幾個時代性的主題進行挑選:地球觀測、太陽物理學、天文學或者行星科學,然後以此為基礎,設計一個可以在小型衛星平台上實踐的計畫,例如美國太空總署(NASA) SMEX,或是更小的衛星平台。

創造出你自己的衛星後,你該準備約五分鐘的陳述,向美國太空總署(NASA)推銷以取得贊助。記得將你要裝載在衛星上的儀器數量限制在一到兩個(最多就兩個了。)以下是一些可以供你參考任務主題的網站。

http://www.spacepolicyonline.com/national-research-council#decadal
http://decadal.gsfc.nasa.gov/about.html
http://science.nasa.gov/about-us/science-strategy/decadal-surveys/
http://solarsystem.nasa.gov/2013decadal/
http://sites.nationalacademies.org/SSB/CurrentProjects/SSB_056864
http://science.nasa.gov/earth-science/decadal-surveys/

在這裡舉一個地球觀測類別的時代性目標的例子,它可以是:

大陸冰川(又稱為冰蓋)以及海平面高度正在改變,未來是否會有災難性的大面積大陸冰川崩塌,包括在格陵蘭以及西部南極洲的大陸冰川。如果真是如此,那這個未來多久以後會發生?而大陸冰川崩塌造成的海平面上升又會出現在多久之後?

接下來,一個出色的陳述應該包括以下幾個部分:

  • 一個任務內容的重點表格(類型/衛星波長/目標/人員/軌道)
  • 過去處理過相似題材的任務內容
  • 欲搭載的儀器清單:包括儀器的類型他們各自的測量對象,以及這些儀器是否需要聚焦
  • 各個探測儀的解析度(空間/光譜/時間/亮度)
  • 預算的估計,估計基礎來自與相似任務的比較或分析

如果你想要檢視評估你的陳述夠不夠好,你得想想以下幾點:

  • 你的目標以及衛星建造計畫是合理的。
  • 你達到預設目標的方法是有效且正確的。

陳述的過程同時需要商業層面以及學術層面的技巧,你需要呈現出來的,不只是你在這項任務中所扮演角色的不可取代性,以及這項任務本身的價值。

建造你個人的衛星並不只是讓你達到更遠大的目的的手段,它本身就是一項很有價值的目標,即使你最終還是沒有發射它,你在這個過程中所得到的技巧及整個過程就是不可多得的經驗。

本文章改編自Sandy Antunes的〈DIY Satellite Platforms〉以及〈DIY Instruments for Amateur Space〉兩篇文章,同一系列的〈Surviving Orbit the DIY Way〉文章對想成為太空船建造者的人來說十分深入淺出,此文章可以在makershed.com網站上的Maker Shed找到。今年夏天,跟我們一起引頸期盼本系列的第四本書《DIY Data Communication for Amateur Spacecraft 的上市吧!

(譯:孟令函)
[原文]

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