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創辦人談衛星 4/一旦翻天就無法覆地?

衛星通訊示意圖。美聯社
衛星通訊示意圖。美聯社

本文共954字

作者 李中旺

一旦火箭把衛星成功的送到它運行的軌道,衛星就要開始靠自己的力量,努力維持它的高度(Altitude)和姿態(Attitude)。當衛星的高度低於運行軌道時,衛星和地面站會失聯。影響衛星高度最主要的因素來自於太空中的空氣阻力。

一台每小時100公里速度前進的汽車,其空氣阻力粗估是100牛頓。在550公里的太空,空氣已經十分稀疏,但因為阻力和速度的平方成正比,也和衛星的表面積成正比。估計高速飛行(每秒7.3公里)的衛星還是會蒙受大約0.01牛頓的阻力。

阻力會讓衛星飛行速度變慢、高度降低,造成失聯(如圖一A所式)。因此衛星必須時時採用氣體推進器來調整高度(如圖一B所示)。

圖一A:空氣阻力拖住衛星,讓衛星微微下墜。 李中旺/提供
圖一A:空氣阻力拖住衛星,讓衛星微微下墜。 李中旺/提供

圖一B:衛星採用氣體推進器來調回軌道高度。 李中旺/提供
圖一B:衛星採用氣體推進器來調回軌道高度。 李中旺/提供

星鏈衛星底部(如圖二所示)4個碟形天線(紅色箭頭)與3個氣體推進器(白色箭頭)。

圖二:星鏈衛星的4個碟形天線與3個氣體推進器。 李中旺/提供
圖二:星鏈衛星的4個碟形天線與3個氣體推進器。 李中旺/提供

星鏈的V2 Mini版本衛星更大,太陽能電池翼兩側展開後寬度約30米,總面積達116平方米,尺寸是v1.5衛星的4倍以上。增大面積會增加阻力,所以V2 Mini也攜帶了大約80公斤的氣體作為推進劑。

如果「翻天」,就無法「覆地」

「姿態控制系統(ACS: Attitude Control System)是衛星維持自己正常運作,讓高增益碟型天線指向地心的系統(如圖三A所示)。衛星受到微小力量干擾而翻滾是難以避免的。一旦翻天,碟型天線背對地球,和地面的通訊就會中斷失聯(如圖三B所示)。

圖三A:衛星的高增益碟型天線面指向地面。 李中旺/提供
圖三A:衛星的高增益碟型天線面指向地面。 李中旺/提供

圖三B:衛星的碟型天線「翻天」,背向地球。 李中旺/提供
圖三B:衛星的碟型天線「翻天」,背向地球。 李中旺/提供

衛星姿態的主要外力干擾源

1.重力場干擾:地球不均勻的重力場(如圖四所示)。衛星飛經各地的上方,變化的重力場可能會改變衛星的姿態。相較於高軌的同步衛星,低軌衛星由於接近地球,受到地球重力場的影響比較大。

除了地球之外,太陽、月亮、與其它星體對衛星的引力,多少會影響衛星的姿態。

圖四:地球的重力場(取材自Wikipedia)
圖四:地球的重力場(取材自Wikipedia)

2.地球的磁場干擾:地球的磁場本來就不均勻的分布在空間裡(如圖五所示)。磁場的變化會在衛星內部的電路裡感應出力矩,會造成姿態變化。

圖五:地球的磁場(取材自britannica.com)
圖五:地球的磁場(取材自britannica.com)

3.衛星會消耗推進劑來保持其高度與姿態。逐步減少的推進劑會使得衛星的質量中心及轉動慣量偏移,這也會改變衛星的姿態。

設計低軌衛星的時候就必須模擬這些干擾源並加以防制。一旦調整姿態的推進劑耗盡,即使其他系統運作正常,衛星也會逐步失速、翻滾、焚毀。複雜的姿態控制系統,凸顯出維持衛星正常運作有多麼地困難。

(作者是友訊科技共同創辦人、明泰科技創辦人,現任職於創威訊科技)

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友訊科技共同創辦人、明泰科技創辦人,現任職於創威訊科技

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