阿提米絲的願望Podcast
火箭阿伯吳宗信的衛星關鍵字：驚動國家級警報的低軌道衛星是什麼？獵風者號掌握海面風速的關鍵？如何避免太空垃圾撞擊？
刊出日期 2024.03.07
地球在低軌道有數千顆人造衛星環繞運行，一般人除了知道衛星可以實況轉播體育賽事、幫助氣象局掌握颱風動態與氣象報告之外，對衛星如何影響我們的生活並不是很了解，更難以想像台灣也有自行研發與製造衛星的能力。
所以這一集要帶各位聽眾認識和我們生活息息相關的衛星，帶各位理解衛星的功能與樣態，同時也來回覆小朋友們對於衛星的提問。
＃人造衛星
所謂的衛星其實就是環繞行星規律運轉的天體，例如月球就是一個繞著地球這一顆運行的一個自然衛星。人造衛星就是人類利用技術設計製造出來的產物，它主要用於科學軍事通訊或者其他的人類所需目的。
大家也可以猜猜人造衛星被送上太空後，會繞著什麼的運轉？答案當然是地球。通常衛星大概分成3類，一個是低軌道（Low Earth Orbit, LEO），離地球高度大概在300到2,000公里，另外一個叫中軌道（Medium Earth Orbit, MEO），離地球高度大概從2,000公里以上到1、2萬公里，例如你每天在使用的GPS是全球定位的衛星，它便是屬於中軌道衛星，美國大概有24顆。還有像地球同步軌道衛星（Geostationary Earth Orbit, GEO），離地球大概3萬6,000公里，像台灣有一顆是中華電信公司的人造衛星叫中新二號。
大概這樣分類，衛星通常又分成兩部分，一個是Bus ，就像你坐車，那個Bus我們叫「衛星本體」，可能有衛星電腦、電力系統，還有熱控系統等等的儀器。另一個是Payload，如果你坐公車的話，人就是Payload，也就是所謂的「衛星酬載」，就像剛講的做科學實驗或者執行軍事、氣象任務，或者照相的相關儀器。例如國家太空中心去年（2023）發射上去的「獵風者衛星」，它的酬載就是GNSS-R，也就是全球導航衛星的反射訊號接收儀。
台灣其實是在1999年發射了第一個人造衛星，叫做福衛1號（FOMOSA-1），讓台灣成為全世界第31個擁有人造衛星的國家。2023年10月9日在圭亞那太空中心（法語：Centre Spatial Guyanais, CSG）送上去的獵風者衛星，是台灣第一顆自製的氣象衛星，也是全球非常少數能夠觀測海面上風速資料的氣象衛星。它大概設計是在600公里的高度運行，透過GPS訊號的反射來倒推海面上的風速，這個風速可以提供給我們的中央氣象署做氣象預測。
所以你可以想像的時候，當這個平靜無風的時候，海面就比較沒有波浪、比較平整，它的反射訊號一定會比較強；當這個海面風比較大的時候，海浪比較大，它這個接收訊號就比較弱，所以我們可以透過訊號的強弱，推算出來海面風的大小。
因為是掌握風速的衛星，因此太空中心把它取名為「獵風者」，英文名字是取自希臘神話海神波賽頓（Poseidon）的兒子「Triton」，手拿三叉戟（繼承海神的象徵），因為在希臘神話當中，Triton也是一個駕馭風神的神祇。
＃低軌道通訊衛星
低軌道通訊衛星因為跟地面通訊的GEO（地球同步衛星）具有互補的優勢，而且它的數量非常多，被視為太空產業中的明日之星。現在的手機都具有GPS的定位功能，已經開始可以透過衛星傳簡訊，也是低軌道通訊衛星未來一個非常重要的重點。
其中，我想各位常常聽到就是SpaceX的星鏈（Starlink）。星鏈是SpaceX創辦人馬斯克（Elon Musk）的低軌道通訊衛星計畫，提供覆蓋全球的網際網路服務，是寬頻（Broband）的服務。目前它已經發射了5,000多顆，其中大概4,800到4,900顆已經正常運作中。
原來大家認為不一定真的需要衛星通訊，地面網路就夠了，可是在俄侵烏戰爭後，星鏈在戰爭中能夠讓國家通訊保持韌性，是一個非常重要的角色，它也因此聲名大噪。也就是說，一個國家在地面通訊設備受到破壞的時候，可以透過這個三維（3D）的通訊，讓各地仍能維持通訊，未來也能夠商業使用。
＃立方衛星
立方衛星英文叫做CubeSat，Cube就是立方，衛星就是Sat，它是太空研究前期裡的一個非常小型的衛星，大概是10公分立方當作一個標準單位（Unit，稱1U），也就是10×10×10公分，而且每個單位一般來講大概一點多公斤（重量不超過1.33公斤），然後每一個利用衛星的體積，可能是3個U、1個U、2個U、6個U，甚至有人弄到20個U，所以它這樣可以模組化、標準化。這其實是在1999年美國加州理工州立大學跟史丹佛大學有兩位教授，他們共同制定立方衛星的標準。有了標準以後，大家在溝通會非常方便，能夠促進發展、設計、製造、測試所需要的相關技術。
比如說，現在要做一個非常大型的科學研究，它要花費的資源如果直接用大衛星，成敗一線之間，可能需要耗費100億，但是可以先用立方衛星做一個類似的，但比較小型的酬載，打到比較低的軌道，這個成本就會低很多，先去做Pathfinder，也就是中文所謂的「探路者」，它的最主要功能就是先行探索新的太空技術。
在2013年以前，立方衛星大概都是學術單位發射，因為它成本很低；到了2014年以後 ，因為這個成本、技術門檻皆較低，所以也變成是很多商業太空公司切入的起始點。立方衛星它是一個體積很小、重量輕、成本低，而且規格比較相對固定的人造衛星，所以是現在全世界衛星發展單位的開發入門款，我想非常適合台灣中小企業作為投入太空產業的開端。
＃太空垃圾
太空垃圾主要是廢棄的衛星殘骸，還有因為衛星進入軌道，最後一節我們叫「入軌段火箭」（Upper-Stage），它把衛星推出來以後，其實還是停留在衛星的軌道繼續繞。此外，在脫節後，有一些沒有徹底焚毀燃燒的金屬，或者其他的碎片。
根據估計，目前大概至少有90萬片，大小大概在指甲般、1公分左右，到保齡球大的太空碎片，在近地軌道約幾百公里到1、2萬公里之間在運行，時速大概是每小時2萬多公里。它們對於衛星、火箭、國際太空站構成非常大的威脅，平均大概每一年有一顆衛星被太空碎片擊毀。
如何避免這些碎片碰到衛星跟太空站？目前美國美國國家航空暨太空總署（NASA）的太空監視網路，隨時監控至少超過10萬顆的碎片，提供碰撞（collision）的警告，提醒衛星調整軌道，避免遭到太空垃圾撞擊，像台灣的衛星也要閃避這些碎片。
不過更積極的做法應該是衛星上去以後，在它任務內，假設設計是5年，在5年後它要保留相對應的燃料讓自己脫離軌道（deorbit），且轉移軌道（orbit transfer）進入地球，然後在地球軌道進入的時候，因為速度增加，燃燒燒盡。所以衛星在退役以後，應該是在調整軌道進入時燃燒殆盡，這其實相當環保，這樣它在軌道裡面的碎片就會非常少。
但是，現在問題是還有幾十萬顆的碎片在太空怎麼辦？美國、日本、歐洲其實有很多新創公司，他們正在測試怎麼捕捉太空碎片的辦法。譬如說用魚叉捕捉器、磁鐵，或者比較大的網子，在進入軌道後，伸出機械手臂把碎片抓進網內，再往地球丟。或許我想未來其實會有一些國際公約，在發射衛星的時候，大家就要負責攤收清潔費，維護太空有限的空間。
聽了有關於衛星的介紹，我聽說小朋友還有許多相關的問題想要跟我討論，我現在就一一來回答。
Q1：先前中國發射低軌衛星觸動國家級警報，請問火箭阿伯，每天都會有不同國家的衛星經過台灣上空嗎？需要擔心它們掉下來嗎？
提問者：台北市光復國小蔡云騫
不用，每天通過台灣的衛星是數以百計，一般衛星都是在超過100公里的高度運行，在比較高的地方掉下來幾百公斤的衛星，基本上都會燒毀掉，不用擔心。要注意的是比較低軌的衛星，像上次發射的是軌道比較低的，所以要非常小心。
Q2：衛星需要使用燃料才能一直飛嗎？
提問者：新北市蘆洲國小王禹棠
衛星的高度如果是在比如說500、600公里那邊幾乎是沒有空氣，只有一點點，所以通常會經過半年或幾個月，稍微還有一點空氣阻力，便用它自帶的燃料做些微的軌道修正，它的燃料基本上是非常的省。
Q3：一顆衛星會不會撞到另一顆衛星？
提問者：新北市南山中學海語芯
其實太空是非常空的，它們相撞的機率非常非常低，除非是故意的，要不然一顆原來設計的軌道會撞到另外一顆，這機率很低。但是人類未來這5、6年到10年，應該是要開始注意這些事情。
Q4：衛星是24小時都在工作嗎？如果衛星壞掉要如何修理？
提問者：新北市蘆洲國小王禹晴
每個衛星的工作時間會根據它的任務需求不一樣，從5、6分鐘到1個小時都不一定。它可能通過台灣的時候才工作，其他地方根據任務需要。可是如果像中新二號，它是一個地球同步衛星，它整天都看著台灣，所以它可能根據任務需求，它說不定一天要工作很多小時。
如果衛星壞掉，它在上面，人沒辦法上去修理，但因為衛星很貴，所以通常它裡面的飛行電腦或者種種儀器，都會有主要跟備援的設備。假設衛星上的電腦壞掉，備援的馬上會轉換過去，讓衛星運作比較能保有韌性。
Q5：光學遙測衛星持續繞著地球轉，又在天上飄，衛星的鏡頭要怎麼樣才能一直固定對著地球呢？
提問者：新北市麗林國小郭晨宇
衛星上面有很多導控、導航的一些儀器，像陀螺儀，還有一些我們叫做慣性導航的設備，包括加速規等，還有一些反應輪，它可以利用這些儀器來控制衛星應該有的姿態，讓衛星呈現想要拍的地方。
國家太空中心現在緊鑼密鼓地籌備「福衛八號」，福衛八號是我們國家自己發展的光學遙測衛星計畫，總共會有8顆衛星。從明年開始，幾乎每年至少發射一顆衛星，所以可能在可見的未來3、4年內，我們就有3、4顆或5、6顆的衛星能夠每天通過台灣，白天可以通過4次到5次，我想從明年開始大家可以期待一下 。
訂閱《誰來讀新聞》
感謝你的收聽！邀請你透過Apple Podcast、Spotify或其他收聽平台免費訂閱少年報導者的Podcast《誰來讀新聞》，及早接收更新通知，最新一集上線就會通知你唷！
- 點擊收聽與訂閱：https://bit.ly/3RPL3Cf
