【連載】INVADER讓我們看見的「宇宙夢」vol.02─INVADER開發計劃

七月 22, 2014
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從宇宙傳送資訊過來的「ARTSAT1:INVADER」(後稱INVADER),來看看它的開發計劃吧。衛星的開發,說起來也很難具體地想像。然而,提到多摩美術大學的久保田先生,如同各位所知,是引導personal fabrication計劃的其中一人。我們也想問問他關於personal fabrication與衛星開發間的差異。這次的超小型衛星開發進展的狀況究竟如何呢?(大內孝子)─vol.1請看這裡
INVADER的設計

在2011年11月,我們被選為JAXA公開招募的共乘衛星之一。在那之後,我們正式開始了超小型衛星的開發。

這個開發計劃,是聯合東大團隊與多摩美團隊,成員為70~80人間的大型企劃。東大團隊主要負責機體開發,多摩美團隊則是負責任務以及通訊站與衛星運用(這在發射前就已開始)的製作。當然這只是大致上的分工說明,機體開發部分也有多摩美的成員參與,並沒有分得這麼死板。

這並非所謂研究室的研究題目,成員們也都各自另外參與自己研究室的研究所或大學畢業論文,這有點類似「社團」的概念。成員多為大學3年級或是研究所1年級的學生,升上4年級,因為到了必須畢業製作的時期,有些成員會離開、而新人又會再進來,就這樣持續交替,核心成員為各大學的5~10位,大概跨越了3個世代;不僅如此,也有些畢業後還會繼續留著、或是畢業校友才加入的(OBOG)。

具體來說,INVADER的設計分成C&DH系、電源系、構造系、熱系、通訊系、任務系來進行。

  • C&DH系:管理表示衛星內部狀況的資料(Housekeeping Data),處理地球來的指令,以及其他部分副系統所發出的指示。
  • 電源系:衛星整體的電源管理,負責如同衛星生命一般的重要角色。
  • 構造系:負責衛星本體外部、內部構造的部分,負責團隊要做的是,從衛星的構想到執行之間「讓它實際成為衛星」的過程,會牽涉到許多不同領域。
  • 熱系:負責衛星內部熱設計。由於搭載物件的運作、保存都有溫度範圍的限制,因此必須設計讓衛星內部的溫度保持在一定範圍內。
  • 通訊系:從地球向衛星發送指令、從衛星往地球傳送資料等。必須開發衛星與地球間的通訊線路或者編寫通訊的程式。
  • 任務系:為執行INVADER衛星單獨任務而產生的第三OBCMORIKAWA;Arduino互換的任務OBC)相關的硬體與軟體開發。

計劃剛開始時成員只有久保田晃弘與田中利樹兩位。因此,他們就以「總之先聚集夥伴吧」做為計畫的出發點。田中先生說:「製作像這樣的超小型衛星,至少需要10~15人,所以招募成員便成了最初的工作。現在回想起來,真是很辛苦。」身為衛星機體開發部的組長(專案經理),田中先生就是帶領計劃進行的領導人。如前所述,衛星的機體開發牽涉到航空宇宙、電子、機械、精密、材料工學等各種領域,在開發的過程中,橫向的溝通與整合是非常重要的。

計劃的實施與進行

計劃實行中,聚集需要的人才當然是非常重要的。人才聚集後,再思考接下來該如何進行。而負責全體規劃的久保田先生是如何推動團隊計劃的呢?

當然,「製作衛星」對多摩美團隊而言都是初體驗,也因此田中先生必須要同時教導「衛星是怎麼樣的東西,以及能夠做到什麼」。像這樣由不同領域成員組合的計劃,會有先是製作機體的人以「製作者」的身份完成規劃後,讓製作團隊接著進行,流於毫無交流的縱向關係,因而不時發生「為什麼連這樣的事情都辦不到呢?」、「為什麼會變成這樣子呢?」諸如此類的狀況。為了避免溝通隔閡產生的問題,首要的就是相互理解(以及努力互相了解的態度)。

在這次的INVADER開發計劃,從起初就讓雙方花了很多時間溝通「衛星如果用了這樣的功能能夠執行什麼」,這樣的討論也在後期發揮效用。另外,2012年時在ICC進行為期一年的展覽(利用模擬資料呈現ARTSAT專案構想的展示)也相當重要,因為有了這些經驗,讓彼此更能了解對方。

我認為在把功能確定下來之前,所有與不同領域人們討論的過程,是非常重要的」如同久保田先生所說,這次的機體開發正是因為能將廣泛領域橫向地連結起來才有辦法實現,並且包含作品製作的多摩美團隊,就是這樣結合不同專業的成員、相互合作才有的成果吧。
階段性地接近完成原型製作

機體開發,和Personal Fabrication一樣,都是不停重複製作原型,以提高作品的精準度。

起初,先不要太在乎尺寸,在麵包板上裝上需要的功能。這稱作BBMBread Board Model),以確認衛星機能為主要目的。其次,製作具有完整功能的模型,稱為EMEngineering Model)。用3D印表機製作外殼模型,確認這些功能是否能收納進10公分大小的外殼中,這階段也同時進行震動測試、衝擊測試等環境試驗。確認在EM階段測試狀況都順利,就進到FM階段(Flight Model—–換言之,就是製作發射到宇宙相同的成品。
像這樣衛星的階段開發方式,是NASA從阿波羅計劃開始發展的,至今已經成為標準程序。NASA程序手冊的PDF檔案是可以下載得到的。然而,雖然有程序手冊,到了實際的現場,還是需要毅力與時間才能完成。這也就是田中先生過去學習的中須賀研裡學到的準則,總之就是把各種事項記錄下來。每次的會議都需要做記錄,而情報並不會專屬於個人。這點非常重要,如果新成員無法融入,龐大的計劃終究會發生缺失。久保田先生也表示,這樣的概念涵蓋在田中先生所擁有各種衛星開發的相關準則當中,並且能夠與INVADER的成員共享,是非常重要的。
個人製造的文化差異

DIY做出同樣的東西,或是製作原型,就意義上來說,衛星開發或許比較近似於個人製造(Personal Fabrication)。然而,相異之處也很多,如「不專屬於個人」這一點。Personal Fabrication以「做自己想要的東西」、「做自己認為有趣的東西」為較常見的狀況(當然,會將資料公開讓其被社會所知、或是商品化)。

另一個不能忘記的差異,則是「衛星是要被發射到宇宙」的這一點。購買零件、組裝,到能夠運作並不代表就沒有問題,必須一個個與JAXANASA(這次的共乘火箭的主衛星為NASA所開發)進行安全審查。能夠使用的材料是什麼?變成真空狀態之後會如何?熱平衡該如何計算?或是如螺絲等零件,也必須提出螺絲的品質保證書,才能通過安全檢驗。這與其說是為了自己的衛星,更是為了避免發生萬一,不給其他衛星帶來問題而做的審查。下回將介紹的MORIKAWAArduino相容板),也必須像這樣通過一個個的檢驗。

現在的我們,比較像是以「嘗試錯誤(Trial and Error)」的方式進行,不順利的話就修正,重新檢查功能並改造;網路服務也是如此。在正式公開前的β版,公開後再進而更新功能,不知不覺這樣的方式已經習以為常了。但是這次的衛星開發計劃可說是完全相反的版本。如同前述所說,不停重複製作原型,雖然是用試誤的方式開發,不過一旦交給JAXA的話(會議前一個月遞交Flight Model),在衛星上軌道後就再也無法修正或改良了。像CubeSat這樣的衛星,是連更新軟體都沒有辦法的。久保田先生認為:「這也是製作中相當有趣的部分,和大規模的產品開發是一樣的,製作商品的話會一口氣量產10萬台之類的,如果當中出了什麼問題那就完了。我認為這個計劃的嚴苛程度或許有點類似產品開發。」
話說回來,田中先生告訴我們的是,和其他的衛星比起來,衛星的性能本身在技術上並沒有太大的困難,反而是如何讓多摩美成員的創意不需要透過太多技術上的挑戰而實現,花了比較多的工夫。比較像是和多摩美的成員們一起尋找,運用不困難的技術也能做到的有趣的事。

田中先生表示:「製作人工衛星的時候,一開始我們非常仔細地做了設計,但在無法照著設計方向走時,就會必須再重來。因此,一般來說雖然不太這麼做,但一起合作的話,在過程中就會出現『如果可以有這種功能的話,希望可以再加上這樣的功能』等更有趣的想法。這次的計劃是一個全新的東西,「做出有趣的東西」也是這次計劃的目的,在開發的途中能夠回應這樣的目的,我認為是製作衛星時必須努力的方向。」

(譯:王亞婕)
[原文]

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