要快、要好、還要便宜,做得到嗎?立方衛星就做得到!憑藉其低成本、易設計等優勢,吸引許多臺灣廠商積極投入,成功大學航空太空工程學系團隊也曾與張量科技公司合作,獨創「球型馬達」,發展姿態和軌道控制系統,提升立方衛星的功能與準確性。去年(2023 年)底,鴻海更以自研發的「珍珠號」衛星搭上 SpaceX 的「獵鷹九號」前往太空。
上太空之後,任務才開始。小小的立方衛星要高效率採集數據,就得在有限的工作壽命、電力裡,精準調整姿態與軌道,來滿足又好、又快、又便宜的要求。
我們邀請國立成功大學航空太空工程學系李約亨教授,分享立方衛星的姿態和軌道控制之祕,介紹節省實驗開銷和時間成本的「代理模型」,也談談臺灣如何妥善運用研發底蘊,在全球立方衛星市場上持續占有一席之地!
衛星為何要做姿態和軌道控制?
立方衛星(cube satellite),是一種以標準尺寸和外形打造的奈米衛星(nanosatellite)。「相較於其他人造衛星,體積較小、重量較輕,因此發射成本也低,還可以根據任務需求組裝、疊加。」成功大學航空太空工程學系教授李約亨補充。然而,單一立方衛星也不過就是 10 cm × 10 cm × 10 cm 的立方體,如此小巧也讓可攜帶的電力受限。「這對衛星在太空軌道上的壽命產生挑戰。」李約亨如此說道。
首先,包含人造衛星在內的所有航太裝置都需要姿態調整;不只衛星本體的穩定度,天線指向的位置是否方便與地球通訊、可否精確採集數據、面向太陽的位置能不能做好熱控制,甚至引導推進的方向⋯⋯這些都與衛星的姿態有關。至於軌道控制,則是確保衛星能駕馭引力,穩妥地運行著。
這類「姿態與軌道控制系統」(attitude and orbit control systems, AOCS)經常用在衛星星系(satellite constellation)當中。有鑒於單一人造衛星無法永久性地覆蓋全球範圍,由多顆衛星所建構的衛星星系應運而生。「目前的衛星星系,諸如美國『星鏈』(Starlink)與英國『OneWeb』,每一顆衛星都配載著這樣的系統。」AOCS 除了能有效控制每顆衛星的運作,也可避免它們彼此碰撞。
詳細來說,AOCS 是由以下功能各異的裝置組成:
全球定位系統接收器(GPS receiver):用以確認各衛星的精確位置;
磁力計(magnetometer):透過GPS與地球磁場模型提供衛星粗淺姿態資訊;
太陽感測器(sun sensor):為所有任務階段確認衛星應有的姿態;
追星儀(star tracker):將每顆衛星的姿態精確化,並將數據轉為慣性的參考資訊;
陀螺儀(gyro):在緊急狀態下確認衛星的姿態變化率;
致動器(actuator):向衛星傳遞力和力矩,以做到具體的控制。
在這些裝置的共同合作下,就能達到監測以及調整衛星姿態和軌道的目的。
當前立方衛星的動力來源,誰是主流?
運行在軌道上的衛星,面臨「引力」這個主要阻力。為了延長衛星的「在軌工作壽命」,動力系統不可或缺。李約亨教授接著說明:「目前常用於衛星的動力系統包含冷氣體推進系、化學推進系統與電力推進系統,其中適用於立方衛星者以電力推進系統為主。」
電力推進系統根據推進模式又可分為「脈衝式」與「連續式」。「脈衝式可以提供較精準的推力脈衝,做到衛星的姿態微調,不過推力較小,主要有脈衝電漿推進器(pulsed plasma thruster)和真空電弧推進器(vacuum arc thruster);連續式則能提供穩定且功率較大的推力,最著名的就是離子推進器(ion thruster,又稱離子引擎)與霍爾效應推進器(Hall effect thruster)。」(圖一)
從脈衝式與連續式推進系統的本質不難看出,若衛星系統需要穩定、長時間運作、功率相對大以及可充電的推力系統,連續式系統毫無疑問是首選。但連續式的選項裡,誰又是最理想的呢?「相同電力條件下,離子推進器的推力比霍爾效應推進器小。不過,若考慮衛星負載限制,離子推進器較高的燃料利用率和比衝值(每單位質量所產生的推力持續秒數)成了極大優勢。」
三大組成,認識離子推進器
離子推進器是用電場加速帶電粒子,使帶電粒子從同一個方向射出,射出的反作用力會推著物體前進。但這些帶電粒子會因為電性相同產生斥力等原因,讓帶電粒子回到推進器中,使推力減弱,因此得在帶電離子射出後,提供相反電性的粒子進行中和,讓帶電粒子不會跑回推進器中。
簡單來說,離子推進器的運作有三個部分:
1.電離:對惰性氣體的原子發射電子,從中「敲」出更多電子以產生帶正電的離子,也就是把氣體解離為電漿態;
2.加速射出:透過電力把離子加速成離子束,離開推進器後會產生推力;
3.中和:對離開的離子束發射電子來中和,避免離子被拉回去減少推力,也預防衛星受侵蝕。
那麼,這些作為推進劑的氣體,是如何電離成電漿的?李約亨教授解釋:「方法有很多種。目前我們團隊用的是射頻電離法(radio frequency,簡稱RF),也就是利用射頻產生器將射頻導入推進器的腔體,然後誘發產生電漿。這些電漿離子會被接下來的電網層吸引。」
而在電離之後、加速之前,離子推進器還設了一道關卡,通常是三層電網組成的:
第一層「簾柵極」(screen grid):通入高電壓以萃取離子、阻隔電子,讓電子留在主腔體中繼續幫助推進劑電離化;
第二層「加速柵極」(accelerator grid):通入負電壓以加速離子,同時防止中和器的電子轟擊;
第三層「減速柵極」(deceleration grid):作為離子推進器的「接地點」以延長電網壽命。
至於中和裝置,李約亨以典型的「中空陰極管」(hollow cathode)為例說明:「它會釋放電子,然後與離子推進器的羽流(plume,從裝置中被釋放出來、以各種帶電原子組成的流體)進行中和,確保電荷守恆。」(圖三)
代理模型?代理了什麼,如何代理?
看完衛星的姿態與軌道調整需求,對其動力來源有初步理解後,就要來思考衛星與推進系統研發的實務難題——成本。「推進劑燃料非常昂貴。以離子推進器為例,氙氣是一種非常稀有且昂貴的推進劑,十幾公升的高壓氙氣氣體鋼瓶索價高達數百萬,長時間運作下來實驗花費相當可觀。只是,以電腦模擬電力推進器內部的運作情況,又極度耗時⋯⋯」李約亨教授感嘆。
在極其有限的預算和時間面前,一種只要輸入/輸出資料便能構建出數字或數據的技術——代理模型(surrogate model)——應運而生。「透過具系統性和目的性的實驗參數擷取,我們把實驗資料放到代理模型裡做訓練,最終透過它的運算來準確預測實驗結果。」李約亨教授指出,以代理模型優化系統,將能減少大規模且重複之實驗所衍生的成本。
「假設我們在柵極電壓 500 ~ 2,000 伏特、流量為 1 ~ 5 sccm(標準狀態下每分鐘的毫升流量)、射頻能量為 10 ~ 30 瓦的研究條件下進行系統性的實驗取點,再將大約落在 0.1 ~ 2.2 毫牛頓(mN)的推力結果放到代理模型裡做訓練,就可以瞭解電壓、流量、射頻能量與推力之間的關係。」李約亨教授代入案例:「如果好奇在柵極電壓為 1,500 伏特、流量為 1 sccm、射頻能量為 35 瓦下的推力結果,就只需將條件輸入到模型裡即可推測出推力預測,大幅簡化實驗過程。」
除了衛星,代理模型也能應用於其他面向。
從本質比較接近的飛機設計來說,「代理模型能用來預測不同機翼形狀、引擎配置和操縱表面設計對飛機性能的影響,幫助工程師快速評估最佳設計選項。」而在管道設計、風力發電、汽車外形等涉及流體力學模擬的領域中,代理模型也可「預測流體行為、速度和壓力分布。」在大型交通與裝置研究外,工程結構分析也從代理模型獲益良多。像是「預測結構材料的應力、變形和疲勞行為,進而評估結構的安全性和性能」,都能在建築物、橋梁工程和船舶設計上有所發揮。即使是近年話題正熱的機器人控制或無人駕駛車輛等,和控制系統設計有關的產業,也都能藉此建立系統的數學模型。整體而言,代理模型可謂是相當泛用的工具。
臺灣如何持續在衛星市場發光發熱?
自 2003 年臺灣首度發射立方衛星,過去 20 餘年已有越來越多團隊加入設計和製造的行列。衛星相關零組件的技術與低製造成本,曾一度被視為未來太空產業的成長關鍵,而臺灣也在這方面挾著卓越的研發力,為 SpaceX 公司生產過相關地面設備。
未來,臺灣在立方衛星市場應注重什麼樣的發展面向,才能持續發揮對全世界的高影響力?李約亨教授表示,技術創新與研發還是最關鍵的,「包括負載技術、通訊技術、太空材料與能源管理,如此提高立方衛星的性能與功能,才能在市場上保持競爭優勢。」他也提到尋求國際合作和人才培育的重要性:「臺灣有半導體科技和精密機械加工等量能,應與國內廠商積極尋求國際合作夥伴、參與國際級計畫;除了擴大市場規模,也能借鑑他國先進技術和經驗,加速產業發展。另外,打造更多專才,也可促進產業生態系統健康發展。」
隨著奈米衛星市場的熱潮持續燃燒,李約亨教授認為市場定位與服務拓展值得深思:「開發具有差異化競爭優勢的立方衛星產品和服務之餘,也還是要積極拓展國內外市場,尋求更多商業上的可能性。」此外,法規和政府政策的支持也須並進,「並提供資金支持、稅收優惠與技術指導,營造良好的發展環境和氛圍,鼓勵企業與科研機構參與立方衛星發展。」
資料來源
採訪國立成功大學航空太空工程學系李約亨教授
What are SmallSats and CubeSats? NASA
Attitude Determination And Control. Space Structure System Laboratory
Attitude and Orbit Control System. Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology
Ion Thrusters: How it works? The Space Techie
Small Satellites and CubeSats Satellite Attitude and Orbit Control Systems. NanoAvionics
Spacecraft attitude control. Wikipedia
Surrogate Modeling - an overview. ScienceDirect Topics
方振洲,〈臺灣立方衛星的過去、現在與未來〉,《科學月刊》,2020年10月。《資料參考》
葉席吟、林明宜,〈全球衛星及太空科技的競爭白熱化 - 臺灣的發展與挑戰〉,臺灣研究亮點。《資料參考》
謝承學,〈立方衛星價低彈性大 尚難達供應鏈經濟規模〉,DIGITIMES,2023年6月8日。《資料參考》
魏瑋廷、葉明宇、詹英文,〈福衛五號姿態與軌道系統硬體之極性驗證與測試〉,《航測及遙測學刊》,22卷1期,第 23 ~ 31頁,2017年3月。
本文授權轉載自科技大觀園。