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福衛五號啟示:一切靠自己

2015年05月14日 李寬容/清華大學教授

5月12日太空中心揭示「福衛五號衛星」製造接近完工。筆者曾經有幸參與太空中心衛星原型儀器的設計及製造,知道其中的困難與艱辛。f5-1-1首先,太空中心的年度預算實在太少,幾乎和維持美國一所中等中學的經費相當。s04韓國當年來台灣太空中心參觀取經,如今我們太空中心的人力和財力是韓國的十分之一,因此經費嚴重不足。20150127_5經費少到無法召募更多的高級研發人員來開發更多的元件。圖上:在福衛五號上的先進電離層探儀(標示處)20120612_06其次,國外每個製造衛星組件的國家把太空和國防科技視為最高機密。台灣能夠買到的元件非常有限。photo.php以往我們需要的稍大型太空望遠鏡特殊玻璃材質是被抵制進口,或需要歐美逐項審查核准的。f5-3-1

所有電子及此次五號衛星的CMOS感應元件都是有錢也買不到。福衛五號根據報導,福衛五號的望遠鏡光學系統、所有電子元件、控制系統,以及許多次系統應該都已經完成,值得肯定。b06a00_t_01_02

http://news.usni.org/wp-content/uploads/2013/11/SS793_Submarines1.jpg經由這個經驗,政府應深切體認唯有自行研發太空及國防科技才是最佳途徑。欲外購先進防衛性武器,國際現實政治環境幾乎是不可能的。

國防部購買潛艦喊了十幾年,一點影子都沒有。

 

太空科研里程碑 我送首顆CMOS上太空

2015年05月13日

http://pgw.udn.com.tw/gw/photo.php?u=http://uc.udn.com.tw/photo/2015/01/27/6/511651.jpg&sl=W&fw=750【記者方惠萱/報導】在明年第一季即將升空的福爾摩莎衛星五號(福衛五號)日前完成光學遙測酬載,負責單位國研院表示,這次酬載於福衛五號的光學酬載,百 分百由國人自製研發,特別的是,不同於過去他國採用CCD感光元件送上太空,這次酬載於福五的鏡頭採用CMOS感光元件,焦長3600mm,等於把目前數 位單眼鏡頭800mm四倍焦段的「超級大砲」送上太空。

光學遙測酬載是福福衛五號的主要任務酬載,將於720公里高的太陽同步軌道對地球表面取像,可提供地面解析度2公尺的黑白影像,以及解析度4公尺的彩色影像。取得之高解析度影像可應用於國土安全、環境監控、防災勘災、科技外交、科學研究等政府施政與民生用途。

折射方式放入小小衛星

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f3/Model_of_FORMOSAT-5_in_NSPO,_Taiwan.JPG福五的光學遙測酬載主由遙測取像儀、聚焦面組合件與電子單元等三個次系統所組成,三個系統都是國人自主研發。

取像儀部分,由於要把3600mm的超級大砲放到小小的衛星中,國研院團隊採用卡賽格林式望遠鏡的原理,利用折反射原理取像,將尺寸縮小到可以放到衛星當中,國研院太空中心工程師黃柏瑄舉例,這樣的焦段可從離地表720公里的高度看到地表的一台汽車。

聚焦面組合件則是負責把類比的自然光學訊號,轉換成為數位訊號,就像目前數位單眼的功能,將大自然中類比的訊號轉換成充滿01的數位訊號,黃柏瑄說該光學酬載可將藍、綠、全可見光、紅光、近紅外光都轉換成數位訊號。

黃 柏瑄強調,聚焦面組合件中的影像感側晶片就是這次光學酬載的重點,目前傳統的光學酬載都受到出口管制,技術相對成熟,不過為了要突破現狀,團隊利用台灣的 半導體代工的強項,利用同於傳統CCD的感側晶片,採用數位訊號的CMOS晶片,讓傳輸速度更快,耗電浪更低,也更容易整合周邊的電路,成為獨步全球的創 舉。

https://directory.eoportal.org/documents/163813/343673/FormoSat5_Auto10
這次感光元件將傳統獨立五組感測器整合於單一晶片上,福五這次光學酬載使用的CMOS晶片大小12x2.4公分,相當於目前全片幅數位相機感光元件的4倍大,黃柏瑄說,這樣的大小,在一棵8吋晶圓中,只能切割出5片感測晶片。

第三個單位為電子單元,負責訊號處理,可進行影像擷取、壓縮儲存、加密、傳送影像、溫度控制等功能,這次光學酬載影像壓縮比達到傳統的7.5倍,具有128GB的儲存容量,可以即時處理將近1Gbps(925Mbps)的影像資料。

極力克服發射三大挑戰

http://pgw.udn.com.tw/gw/photo.php?u=http://uc.udn.com.tw/photo/2015/01/27/6/511651.jpg&sl=W&fw=750
其實把光學遙測放到衛星內,對目前技術並非難事,不過因為衛星必須經歷升空的極端條件考驗,並最後達到在無重力的空間。這樣高精細度的系統,必須克服在發射過程中的劇烈震動、升空之後的極端溫度等問題。黃柏瑄指出,一不小心就會讓鏡片飛出或是碎裂。

第一個要克服的就是升空過程的強大重力,黃柏瑄表示,這次整組光學酬載140公斤,主鏡重達10公斤,若要承受火箭發射的25G的巨大G力,相當於主鏡要承受250公斤的力量。

所 謂G力就是重力,正常地球人承受的為1G,為一個大氣壓力,如果一個人60公斤、承受1G重力,就是60公斤,心臟負荷也就是60公斤,太空人要接受專業 訓練,就是必須承受太空梭升空的重大G力,心臟如果不夠力,就無法更努力工作才能讓血液循環,尤其是讓血液送達腦部(這正是高G力讓人喪失意識的原因)。 相信許多人都坐過劍湖山世界的G5,該設施俯衝的力量,就是5G的力量。

而在這組光學軸載上,這棵在地球上重達10公斤的大鏡片,必須承 受25G的震動,黃柏瑄強調,這也無法利用強力咬合的方式,會讓鏡片變形,該團隊研發出關鍵的膠合技術,讓鏡片在25G的劇烈震動下,直徑45公分的主鏡 變形量小於1奈米,他說,畢竟該鏡片變形1毫米,就會造成嚴重失焦。

溫度部分,因為該衛星繞地球運行,當太陽照射到的時候,溫度高達 200度c,但是到達陰影面,沒有太陽照射的時候,溫度可到負20度c,該光學酬載在外部包覆多層隔熱膜,內部更搭載多達51顆的溫度感測器,以及39片 的加熱片,讓該光學酬載的溫度控制在恆溫20度C正負兩度,黃柏瑄說,目前預計該遙測酬載可於400度溫差的環境下正常運作5年。

除此之 外,重力的影響也會造成遙測酬載上太空之後的誤差,團隊在實驗室中利用特殊方式模擬太空無重力的環境,黃柏瑄解釋,如果沒有這樣的測試,鏡片在地球上測試 正常,但是到太空重力改變,就會讓鏡片飄移,造成誤差,而團隊在較準後,可讓該光學酬載的誤差量到達及小,角度偏差僅0.00096度,距離誤差僅 0.0007mm,這樣的誤差角度相當於在台北101看墾丁豪宅的視角,誤差距離僅一跟頭髮直徑的1/10。

團隊耗時5年盼成功升空

http://www.roc-taiwan.org/public/Data/681421512471.jpg
福衛五號光學酬載團隊於2010年成軍,歷經5年的挑戰的克服許多困難,直到今年3月6日攢成所有測試,完成酬載,目前正在進行第一系列測試,預計2016年於美國范登堡基地升空,黃柏瑄說最希望發射成功,也很擔心發射不成功。

黃柏瑄回憶團隊的努力過程,他分享道,有一次團隊請水電工道實驗室內進行水電修繕,該水電工看到他們就問,「台灣也有做這個阿」,團隊回答他說有在做,該水電工默默不語,直到離開前才說以團隊為榮。

http://img.ltn.com.tw/2015/new/may/13/images/bigPic/600_17.jpg
對於團隊來說,該顆衛星就像孩子一樣,團隊一步一腳印的研究、組裝直到完成,背負了台灣太空科學研究的使命,也創下台灣太空研究的里程碑,於記者會上,黃柏瑄談到成果語過去努力的時刻相當感動,一度眼眶泛淚。

國 研院表示,福衛五號光學遙測酬載的研發完成,顯示國研院太空中心已掌握了太空級光學系統與CMOS影像感測器等多項關鍵衛星技術,奠定了我國自主發展光學 遙測酬載的技術能量,除充分展現我國產學研界跨領域的整合能量外,更落實運用台灣產業優勢加值太空計畫的願景目標。展望未來,太空中心將秉持逆風而上展翅 再飛的精神,持續勇於面對挑戰,結合國內產學研界,厚植我國太空科技創新與技術升級之研發能量,為下一階段的任務努力以赴。

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    Rick(烏龍鄉) 發表在 痞客邦 留言(10) 人氣()