第一枚「最台」高解析衛星福衛五號8月升空
即將升空的福衛五號最大亮點,是能在距地表720公里的高空拍攝影像,相當於在台北101大樓可辨識400公里遠的墾丁大街路人,這項由國內研發關鍵零件,驚豔國際。
年8月,將是台灣太空科今
技發展史的嶄新里程碑。台灣第一枚自主研製的衛星──福爾摩沙衛星五號,即將升空!
結合全台50多個團隊、至少200人,超過六年、2000多個日子,總計畫金額達56.5億台幣,這枚最具「台味」的衛星,7月19日晚間自台灣搭機出發,將於8月25日凌晨2時50分,在美國加州范登堡空軍基地,搭乘SpaceX獵鷹九號火箭,飛向太空。
7月19日,在新竹國家太空中心舉行的「福爾摩沙衛星五號起運儀式」上,國家太空中心主任張桂祥致詞時,難掩激動,一度哽咽,突顯這一路艱辛。福爾摩沙衛星五號計畫主持人張和本形容,福衛五號「比登天還難」,絲毫不誇張!
回顧台灣太空科技發展,從零開始。台灣國家太空中心(原名行政院國家太空計畫室籌備處) 自1991年成立長達26年,9000多個日子。先前三枚的福衛一號、福衛二號、福衛三號,均與國外合作,到了第四枚福衛五號,終於能自行研發,象徵國內衛星研製能量,成功「轉大人」。
前三枚衛星各有不同任務
回顧過去台灣幾顆衛星,福衛一號、三號屬於科學衛星,二號和五號屬於光學遙測衛星。
1999年發射的福衛一號,可觀察海面生態環境、進行高空地球物理實驗、以及測試超高頻率通訊。由美國TRW公司設計製造。
2004年發射的福衛二號,任務是對台灣陸地及海域進行即時大氣、海洋及陸地遙測作業,獲取資料,供相關單位資源探勘、氣候變遷、防災救災等運 用。當年由法國EADS Astrium 公司承接。
2006年發射的福衛三號,是大型的台美雙邊國際合作,由雙方政府授權執行,為建立全球大氣即時觀測網的先進技術。由六顆微衛星組成,是非常先進的氣象衛星星系。
事實上,太空科技在多數國家是受管制的產業,衛星電腦如同人的大腦,電力系統宛如心臟血
管。「關鍵元件材料沒人要賣給你,」張和本說,因此「自己的衛星自己造」,成為政策目標。
今年將要升空的福衛五號,成功突破過去來自各國的「八國聯軍」,衛星本體、遙測酬載、科學酬載、CMOS感測器、及地面系統等關鍵元件,均由台灣本土研發。整個計畫執行的背後,光是太空中心參與人數就達70∼80人,加上學術團隊、產業團隊和研究機構等,約莫200∼300人,通力合作。
試想,衛星升空後,發生故障無法到太空去修復,對產品可靠度和穩定性的要求不在話下。
還有,火箭升空需能承受25G重力,及環繞太空軌道時,溫差達攝氏正負200度的劇烈變化,甚至太空中無所不在的輻射干擾,都是研發過程一定要克服的大考驗。
CMOS感光新技術獨步全球
福衛五號不只是國內熱門話題,更吸引國際注目。原因是這顆衛星能在距離地球表面720公里的高空拍攝影像,巨大照相機裡的關鍵零件,使用CMOS感測器,創下全球首例!過去,國外這項裝置是採用CCD(電荷耦合元件)感測元件,而台灣業者自行研發的 CMOS(互補式金屬氧化層半導體)感測元件,優點是重量較CCD輕,耗電量也較少。生產業者是位在桃園的微像科技。微像科技創辦人、董事長王文良是電機博士,鑽研CMOS技術多年,1997年便在美國創設CMOS Sensor公司,設計生產工業與民用市場的影像感測器。他形容,影像感測器之於機器,如同眼睛之於人。2003年在台設立微像科技。
2005年,是微像跨足太空產品的起點,承接到印度政府探月衛星計畫,負責研發影像感測器。不久後,國內太空中心也有意發展自製的福衛五號光學酬
載。身為全台極少數擁有衛星影像感測器研發的公司,微像2009年承接到福衛五號任務。
過去CCD感測器,還必須用很多IC與線路才能驅動與讀取,但CMOS技術能將電路濃縮在一顆感測器內,在電子線路設計上採用一片軟硬複合板的設計,沒有連接器等機構連接,可提升系統可靠度。總經理黃欽河解釋,其實智慧型手機也有CMOS感測器,差別是,手機內的感測器小、距離近,才能拍出清楚照片,而衛星卻要從720公里高空照地球,難度可想而知。
因此,福衛五號的CMOS感測器尺寸創下紀錄,為12公分乘以2.4公分,比起國內一般半導體業所製造的單顆IC約3公分乘以2.5公分,足足大了近4倍。靠的是微像自身的Wafer Butting專利技術。
這項技術,等於從台北101大 樓上,往400公里遠的屏東墾丁大街拍照,也能把路人的模樣照清楚。
當初多數人質疑「尺寸太大、根本沒辦法做」,王文良不氣餒,投入長達半年以上,測試感測器在高溫和真空壓力下1000小時,是否還能成功傳輸影像資料,甚至用顯微鏡「土法煉鋼」,一個一個檢查感測器上的金線脫落位置,找出缺失點。連續兩個月、不惜推掉其他案子,員工全天輪流加班,完成這項「不可能任務」。黃欽河信心滿滿地直言,能完成這項任務的,在台灣只有微像,全球競爭者不超過五家。如今,在印度的探月計畫成功後,美國、中國均來尋求合作可能。福衛五號的幕後本土企業不少,包括勝利微波,從福衛一號開始,就負責生產衛星天線,是唯一一家26年來都持續跟太空中心合作的民間企業。
1990年,勝利微波還只是勝利工業底下剛成立的新事業部,由鑽研微波領域多年的陳明輝主掌。
今年剛滿80歲的陳明輝記憶猶新,1995年5月2日,他前往國科會國家太空計畫室簽約,承製福衛一號天線及濾波器,勝利微波正式成為國內首家設計製造太空零件的業者。2005年獨立成為公司,成為國內所有衛星計畫的「全勤寶寶」。
困難1〉材料、製程需認證
2016年,勝利微波被併入創立於2013年的芳興科技。現任芳興科技總經理李袗華強調,很多人以為做衛星天線很容易,「看起來就是一塊金屬,」但要能上太空,材料、製程都得經過認證。
李袗華說,研製衛星的思惟與一般商業不同,不會為了省錢而冒著計畫失敗、損失數十、百億
經費的風險。「產品有過上太空的實戰經驗,才能建立信賴,」現在連韓國、新加坡的衛星都買了他們的天線。不過,國內太空產業尚未成熟,市場太小是不爭事實。發展太空產品,有可能好幾年只賣出一個。
勝利微波資深員工、現任芳興科技研發工程部副總經理朱晉儀舉例,10年前送樣給對方。直到最近才下訂單。因此芳興科技本身也從事商用、軍用等微波主動元件設計生產,像是衛星地面站相關設備零件等,七成產品外銷,才有餘裕發展太空產業願景。
國內航空業龍頭漢翔,從福衛二號開始,也是太空計畫的參與 者之一。即使是耕耘複合材料多年,相當有經驗的漢翔,對於要設計適合太空運作的複合材料,漢翔發言人林南助坦言,「完全是另一回事」,至少動員10名頂尖人員,每個零件測試10次以上才能完成任務。
困難2〉自行摸索組裝
生產衛星的難度還在於,即使零件都到位,組合起來也是大挑戰。當年福衛一號計畫,美國TRW將五項技術移轉給國內廠商,台灣共有28位太空種子學員前往美國接受培訓。國家太空中心整合測試組組長陳維鈞,正是當年種子之一。陳維鈞指出,人造衛星的結構複雜又精密,以福衛二號為例,光 線束就達20公斤,有3200多個線段、總長10、20公里。「手上有設計藍圖,但上面沒說怎麼裝,沒有人會教你,」陳維鈞說,許多時候得邊想邊做,光是放一片玻璃上去都不簡單。一般玻璃也許可用螺絲鎖上,但隨便鎖可能結構會變形,可能連帶影響衛星進入太空後的正常運作。
國家太空中心電機組葉嘉靖,同樣參與過歷次衛星任務。身為第一線執行者的他觀察,福衛五號最大意義在於突破心理障礙。從台灣設計、製造、測試一條龍完成,初期連內部人也不諱言,會問:「我們真的有能力自己做嗎?」
有了福衛五號,張和本強調,不只能夠向世界證明我們有實力,對國家技術能量提升更有實質幫助。福衛五號將執行為期五年的遙測任務,接下來的每一日,太空中心的衛星操控中心,會全天候掌控衛星動態。
然而,張和本直言,「衛星打上去之後,真正考驗剛開始,」必須等到第一張衛星照片成功回傳,才敢說合格。
福衛五號的成功,要歸功於這一群對太空充滿熱情的夢想家。如今福衛七號正在進行。可以確定的是,台灣的太空夢又邁進一大步。