孫明莉 張濤

人造衛(wèi)星在今日人們的生活中已占有相當(dāng)重要的地位。臺(tái)當(dāng)局1992年成立“太空計(jì)劃室籌備處”，1996年開(kāi)始組織研制“中華衛(wèi)星1號(hào)”，1999年“中華衛(wèi)星1號(hào)”在美國(guó)發(fā)射升空。2003年，“太空計(jì)劃室”改名為“國(guó)研院太空中心”（簡(jiǎn)稱“太空中心”），主要任務(wù)為建立臺(tái)灣自主航天科技實(shí)力，滿足社會(huì)民生的需求，推動(dòng)尖端太空科學(xué)研究。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，該中心現(xiàn)已經(jīng)建立一套較完整的航天科技發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施，包括衛(wèi)星整裝測(cè)試廠房、地面操控系統(tǒng)、影像處理系統(tǒng)和衛(wèi)星研發(fā)實(shí)驗(yàn)室等核心設(shè)施，并借由衛(wèi)星研制計(jì)劃的推動(dòng)與執(zhí)行，成為臺(tái)灣發(fā)展航天科技的重要平臺(tái)。

除太空中心外，島內(nèi)部分高校，如中央大學(xué)、新竹交通大學(xué)、成功大學(xué)、新竹清華大學(xué)、屏東科技大學(xué)、虎尾科技大學(xué)、臺(tái)北科技大學(xué)、高苑科技大學(xué)等也都各自成立有航太工程系、太空研究所、探空科學(xué)實(shí)驗(yàn)室等，開(kāi)展各類(lèi)航天科技實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)培養(yǎng)太空科技研發(fā)人才。僅在2016年就合計(jì)培養(yǎng)碩博生約650人。

臺(tái)灣太空科研目前主要針對(duì)“福衛(wèi)”系列衛(wèi)星開(kāi)展研制工作，包括在外國(guó)企業(yè)合作指導(dǎo)下，開(kāi)展衛(wèi)星本體構(gòu)造、衛(wèi)星電腦及飛行控制、衛(wèi)星推進(jìn)器、衛(wèi)星機(jī)電設(shè)備、光學(xué)遙測(cè)載荷、衛(wèi)星任務(wù)操作、遙測(cè)影像處理技術(shù)、系統(tǒng)工程等設(shè)計(jì)研制工作。

2017年8月，臺(tái)灣自稱首顆完全自行設(shè)計(jì)制造的對(duì)地光學(xué)遙測(cè)衛(wèi)星“福衛(wèi)5號(hào)”，由美國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)射入軌，結(jié)果卻出現(xiàn)傳回的照片影像模糊不清的現(xiàn)象。經(jīng)分析認(rèn)為是由于儀器鏡頭焦距偏移造成，且經(jīng)遙控校準(zhǔn)仍無(wú)法改善，表明臺(tái)灣航天科技基礎(chǔ)仍有待提高。

衛(wèi)星姿態(tài)與軌道控制

眾所周知，在距地球表面100公里以上的人造衛(wèi)星，仍會(huì)受到稀薄氣體的阻力，以及地球非正球體效應(yīng)、太陽(yáng)及月球引力、潮汐、太陽(yáng)輻射壓等外力的干擾，使衛(wèi)星的運(yùn)行速度與姿態(tài)不斷產(chǎn)生變化，進(jìn)而造成軌道偏移。因此衛(wèi)星自運(yùn)載火箭點(diǎn)火開(kāi)始，便需不斷監(jiān)控自身軌道位置與姿態(tài)的變化，并在運(yùn)載火箭彈射布放與軌道運(yùn)行階段進(jìn)行軌道與姿態(tài)的調(diào)整，甚至進(jìn)行軌道變換操作，使其進(jìn)入正確軌道執(zhí)行任務(wù)。這些操作都是由衛(wèi)星上的噴射推進(jìn)與姿態(tài)控制系統(tǒng)完成，是其維持、調(diào)整與變換軌道時(shí)的唯一動(dòng)力來(lái)源。通過(guò)提供反向推力來(lái)緩和入軌速度，以確保衛(wèi)星在地球軌道執(zhí)行姿態(tài)調(diào)整控制、位置保持、軌道修正和空間機(jī)動(dòng)等任務(wù)，讓衛(wèi)星能安然保持在與地球相對(duì)不變的軌道上。

衛(wèi)星噴射推進(jìn)系統(tǒng)是利用流體壓力差流動(dòng)的特性，驅(qū)動(dòng)燃料由高壓往低壓處不斷噴出，以產(chǎn)生作用力使衛(wèi)星前進(jìn)，衛(wèi)星推進(jìn)器就是利用這一原理開(kāi)發(fā)而成。衛(wèi)星推進(jìn)器主要由推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)與推進(jìn)器兩大部分組成，前者依衛(wèi)星需求，通過(guò)下吹式形態(tài)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，把推進(jìn)劑從高壓往低壓處輸送注入下游的推進(jìn)器，后者則把注入的推進(jìn)劑轉(zhuǎn)換為高速氣流噴出產(chǎn)生推力。

依據(jù)推進(jìn)劑是否需經(jīng)化學(xué)反應(yīng)才會(huì)噴出，可以將衛(wèi)星推進(jìn)器粗略分為冷氣體推進(jìn)器與單基推進(jìn)器兩類(lèi)。其中，冷氣體推進(jìn)器是利用高壓氣體作為推進(jìn)劑，經(jīng)漸縮漸擴(kuò)推力噴嘴直接加速噴出以產(chǎn)生推力。單基推進(jìn)器則屬于化學(xué)推進(jìn)，通常利用液態(tài)推進(jìn)劑經(jīng)由觸媒分解產(chǎn)生高溫高壓氣體，再經(jīng)推力噴嘴加速噴出產(chǎn)生推力。相較于冷氣體推進(jìn)器，單基推進(jìn)器在設(shè)計(jì)上雖然較復(fù)雜，卻具有較好的推進(jìn)劑儲(chǔ)存能力以及推進(jìn)效率，因此成為衛(wèi)星任務(wù)的首選，也是臺(tái)灣航天科技人員積極投入研發(fā)的目標(biāo)。

經(jīng)多年的研究發(fā)展，臺(tái)灣航天科技人員已逐步掌握精準(zhǔn)控制與快速反應(yīng)的單基推進(jìn)技術(shù)，并通過(guò)探空火箭以載荷方式完成了自主研制的單基液態(tài)推進(jìn)反應(yīng)式控制系統(tǒng)的高空動(dòng)態(tài)測(cè)試。

2004年5月臺(tái)灣發(fā)射升空的“中華衛(wèi)星2號(hào)”（后改名“福衛(wèi)2號(hào)”），其推進(jìn)系統(tǒng)采用法國(guó)Astrium公司制造的4臺(tái)各1牛頓推力等級(jí)的聯(lián)胺單基噴射推進(jìn)器，用于750千克的衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整與軌道偏移修正；而此次“福衛(wèi)5號(hào)”的推進(jìn)系統(tǒng)僅由島內(nèi)科技人員自行研制的4臺(tái)各40毫牛頓推力的冷氣推進(jìn)器構(gòu)成，就可調(diào)控475千克質(zhì)量的衛(wèi)星進(jìn)行方位或轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的改變，完成衛(wèi)星進(jìn)行影像遙測(cè)的軌道調(diào)整。

由于衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行時(shí)會(huì)受到諸多外力的影響，因而造成軌道偏移與高度降低。就圓周運(yùn)動(dòng)而言，軌道高度變化僅需通過(guò)圓周切線速度改變就可有效地改善，軌道傾角偏移與姿態(tài)改變則需通過(guò)推進(jìn)器各方向出力的合力，來(lái)進(jìn)行方位或轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的調(diào)變以修正與轉(zhuǎn)換，因此衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)一般都配置有數(shù)個(gè)推進(jìn)器，以進(jìn)行組合控制。通過(guò)這些微小推力的合力，以脈沖或連續(xù)噴射模式促使衛(wèi)星產(chǎn)生特定方向的運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)然，若要達(dá)成更精確控制衛(wèi)星姿態(tài)以執(zhí)行如影像遙測(cè)之類(lèi)的任務(wù)，則還需進(jìn)一步配合反作用輪或磁力矩姿態(tài)控制等進(jìn)行精確的三軸平衡穩(wěn)定。

由于衛(wèi)星以離心力等于地球引力的高速圓周運(yùn)動(dòng)條件環(huán)繞于大氣極度稀薄的地球上方軌道，在幾乎無(wú)阻力的環(huán)境下，推進(jìn)器只要以相對(duì)于衛(wèi)星質(zhì)量極微小的推力，就可有效使衛(wèi)星產(chǎn)生姿態(tài)變化與軌跡偏移，因此衛(wèi)星推進(jìn)器的額定推力通常不大，約介于數(shù)十微牛頓至數(shù)牛頓推力之間，便足以衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)通過(guò)不同方向推進(jìn)器出力的合力，以進(jìn)行衛(wèi)星的姿態(tài)與軌道偏移修正。例如臺(tái)灣“福衛(wèi)3號(hào)”衛(wèi)星就是通過(guò)4臺(tái)以10°角度偏置裝配的推進(jìn)器（R1～R4）組合來(lái)達(dá)到操控衛(wèi)星的目的。

自主研制衛(wèi)星推進(jìn)器

臺(tái)灣自主研發(fā)衛(wèi)星用推進(jìn)器迄今已有20多年，其技術(shù)研發(fā)的萌芽階段始于20世紀(jì)90年代，初期因臺(tái)灣衛(wèi)星推進(jìn)需求投入聯(lián)胺單基推進(jìn)相關(guān)的技術(shù)研發(fā)，但數(shù)年后，因西方國(guó)家出口許可管制問(wèn)題，被迫轉(zhuǎn)向自行研制過(guò)氧化氫衛(wèi)星推進(jìn)器技術(shù)，2005年首次成功應(yīng)用在探空火箭科學(xué)載荷任務(wù)，此后逐步向系統(tǒng)化與成熟化發(fā)展，最終應(yīng)用于臺(tái)灣自主研制的衛(wèi)星上。

成功大學(xué)航太系液態(tài)火箭實(shí)驗(yàn)室是臺(tái)灣島內(nèi)少數(shù)具有火箭推進(jìn)完整研究能力的航天實(shí)驗(yàn)室，也是最早投入高性能衛(wèi)星推進(jìn)器研制的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)。上世紀(jì)90年代初，有感于島內(nèi)對(duì)衛(wèi)星自主技術(shù)需求與日俱增，該實(shí)驗(yàn)室科研人員主動(dòng)投入聯(lián)胺單基推進(jìn)器相關(guān)的研究，前后花費(fèi)約10年時(shí)間，逐步掌握了聯(lián)胺單基推進(jìn)器相關(guān)參數(shù)與單基推進(jìn)器的關(guān)鍵技術(shù)，奠定了臺(tái)灣自主航天推進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)。

聯(lián)胺單基推進(jìn)器是一種性能優(yōu)異且穩(wěn)定可靠的單基推進(jìn)劑類(lèi)別的液態(tài)火箭推進(jìn)器，它以高濃度聯(lián)胺為推進(jìn)劑，經(jīng)催化分解產(chǎn)生高溫高壓氣體后，通過(guò)推力噴嘴高速噴出，轉(zhuǎn)換為推力。但由于聯(lián)胺本身屬腐蝕、易燃、劇毒性且難以純化的液態(tài)物質(zhì)，加上高可靠度的分解用催化劑是關(guān)鍵專利技術(shù)，受到西方國(guó)家出口管制，盡管聯(lián)胺單基推進(jìn)器應(yīng)用于衛(wèi)星上已超過(guò)40年，卻仍屬國(guó)際間嚴(yán)格限制轉(zhuǎn)讓的尖端航天科技。

單基衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)主要由推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)與推進(jìn)器兩大部分組成。成功大學(xué)航太系液態(tài)火箭實(shí)驗(yàn)室利用以學(xué)術(shù)研究名義，從外國(guó)私下購(gòu)得的數(shù)量極其有限的聯(lián)胺推進(jìn)劑與Shell-405聯(lián)胺分解用催化劑，投入聯(lián)胺單基推進(jìn)器相關(guān)研究工作。從對(duì)聯(lián)胺推進(jìn)劑的認(rèn)識(shí)、基礎(chǔ)安全培訓(xùn)與摸索推進(jìn)研究實(shí)驗(yàn)方法開(kāi)始，直接投入臺(tái)灣當(dāng)時(shí)尚無(wú)任何經(jīng)驗(yàn)，且具有潛在危險(xiǎn)性的衛(wèi)星推進(jìn)研究領(lǐng)域。

在研發(fā)過(guò)程中，臺(tái)灣科技人員通過(guò)系列不同形態(tài)的噴注器設(shè)計(jì)、多段組合式催化反應(yīng)室，以及推力噴嘴的設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室精確控制參數(shù)的條件下，探討各類(lèi)型噴注器與催化床組合反應(yīng)的狀態(tài)與特性，逐步建立起島內(nèi)自主的聯(lián)胺分解反應(yīng)動(dòng)力模式數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，由于掌握了聯(lián)胺單基推進(jìn)器噴注器與觸媒床設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，也開(kāi)啟了臺(tái)灣自主衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)之門(mén)。

2002年12月，臺(tái)當(dāng)局批準(zhǔn)了科技主管部門(mén)制定的“第二期太空科技發(fā)展長(zhǎng)程計(jì)劃”（2004—2018年），全程為15年，包括次軌道科學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、尖端衛(wèi)星科技研發(fā)計(jì)劃、寬帶通訊衛(wèi)星計(jì)劃、遙測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃、自主發(fā)展微衛(wèi)星計(jì)劃及對(duì)外合作計(jì)劃等6個(gè)分項(xiàng)計(jì)劃，由臺(tái)灣太空中心負(fù)責(zé)衛(wèi)星本體主承包商的責(zé)任，并整合島內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)，實(shí)施尖端衛(wèi)星科學(xué)研究計(jì)劃，建立自主研發(fā)衛(wèi)星先進(jìn)技術(shù)及載荷儀器的能力，以及協(xié)助島內(nèi)大專院校研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研制邊長(zhǎng)10厘米的立方體、總重約843克的微型衛(wèi)星（臺(tái)灣稱“蕃薯衛(wèi)星”），計(jì)劃發(fā)射5顆微型衛(wèi)星和10至15枚探空火箭。

2004年由臺(tái)灣成功大學(xué)整合校內(nèi)航太系液態(tài)火箭實(shí)驗(yàn)室、燃燒實(shí)驗(yàn)室，以及航太科技研究中心幾家機(jī)構(gòu)，共同承擔(dān)完成的“臺(tái)灣探空6號(hào)火箭計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱“探6”計(jì)劃），首度納入工程驗(yàn)證載荷項(xiàng)目，其中就包括利用火箭載荷測(cè)試衛(wèi)星推進(jìn)器的研制內(nèi)容，不僅讓原本處于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)階段的衛(wèi)星推進(jìn)器研究進(jìn)入到系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)階段，更把研究重點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)室直接轉(zhuǎn)到火箭、載荷角度進(jìn)行思考如何設(shè)計(jì)。

在系統(tǒng)方面，“探6”衛(wèi)星推進(jìn)器載荷項(xiàng)目通過(guò)整合全臺(tái)灣的科研力量，利用成功大學(xué)航太系液態(tài)火箭實(shí)驗(yàn)室研制的1磅推力等級(jí)聯(lián)胺單基推進(jìn)器，搭配具有軍方背景的中山科學(xué)研究院研制的活塞式燃料槽與爆通閥，并依據(jù)火箭載荷艙界面需求，把實(shí)驗(yàn)室級(jí)推進(jìn)器系統(tǒng)化地建成一套包含雙推進(jìn)器配置的推進(jìn)器載荷系統(tǒng)。計(jì)劃執(zhí)行期間，除取得實(shí)用化推進(jìn)劑供給管路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并掌握管路壓損與壓力震蕩回饋控制技術(shù)外，還通過(guò)中山科學(xué)研究院真空艙的協(xié)助測(cè)試，獲取了地面靜推力測(cè)試與真空環(huán)境推力對(duì)應(yīng)分析方法。

在發(fā)射程序上，為符合載具環(huán)境、射場(chǎng)安全、聯(lián)合整測(cè)、飛試執(zhí)行等需求，推進(jìn)器研究團(tuán)隊(duì)檢討了安全作業(yè)需求，建立起地面輔助設(shè)施，進(jìn)行了嚴(yán)苛的環(huán)境篩選測(cè)試，并完成妥善安全的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程與相應(yīng)配置。就此，臺(tái)灣島內(nèi)首個(gè)具有完整衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與執(zhí)行任務(wù)能力的研究團(tuán)隊(duì)逐漸成形。

2007年9月13日，“探6”火箭順利地自中山科學(xué)研究院屏東九鵬測(cè)試場(chǎng)發(fā)射升空，100秒后成功傳回首個(gè)推進(jìn)器測(cè)試驗(yàn)證數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)的連續(xù)與脈沖推力曲線，顯示其衛(wèi)星推進(jìn)器的研究工作已成功進(jìn)入下一個(gè)里程階段。

成長(zhǎng)到全自主研制時(shí)期

臺(tái)灣自主衛(wèi)星推進(jìn)器的發(fā)展在“探6”火箭推進(jìn)器載荷成功驗(yàn)證后，看似前途光明，實(shí)則困難重重。在關(guān)鍵的S-405催化劑制備與聯(lián)胺推進(jìn)劑自主研制技術(shù)遲遲無(wú)法突破，而且外國(guó)科技管制日趨嚴(yán)格之下，臺(tái)灣科技人員對(duì)以聯(lián)胺為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)高性能推進(jìn)劑液態(tài)火箭自主開(kāi)發(fā)越顯困難的憂慮漸深，反而加速了衛(wèi)星推進(jìn)全系統(tǒng)自主研發(fā)的腳步。

上世紀(jì)90年代末，中山科學(xué)研究院曾委托成功大學(xué)航太系燃燒實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水下推進(jìn)相關(guān)研究，在無(wú)法通過(guò)外購(gòu)取得水下慣用的推進(jìn)級(jí)高濃度過(guò)氧化氫的情況下，該實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)而針對(duì)過(guò)氧化氫的物理特性，利用減壓濃縮的原理，開(kāi)發(fā)出推進(jìn)級(jí)過(guò)氧化氫的提純精煉技術(shù)。

承續(xù)“探6”推進(jìn)器載荷的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，成功大學(xué)燃燒實(shí)驗(yàn)室從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，利用自主純化研制的高濃度過(guò)氧化氫為推進(jìn)劑，投入單基推進(jìn)器系列研制工作。除了以純銀為催化劑，成功地開(kāi)發(fā)出100毫牛頓過(guò)氧化氫微推進(jìn)器模組外，并在執(zhí)行“探8”火箭科學(xué)載荷計(jì)劃時(shí)，掌握了單基推進(jìn)器的另一關(guān)鍵元件技術(shù)，以填充配置法開(kāi)發(fā)出突破過(guò)氧化氫單基推進(jìn)器耐久問(wèn)題的復(fù)合式催化劑，從而完成臺(tái)灣“探8”火箭過(guò)氧化氫推進(jìn)載荷的研制，并獲得成功的飛試驗(yàn)證。

2011年成功大學(xué)航太系燃燒實(shí)驗(yàn)室與航太科技研究中心合并成立衛(wèi)星推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，與臺(tái)灣太空中心共同針對(duì)1牛頓推力等級(jí)過(guò)氧化氫單基衛(wèi)星推進(jìn)器的自主研制開(kāi)展長(zhǎng)期合作計(jì)劃。

這項(xiàng)研究兼具基礎(chǔ)扎根與任務(wù)需求導(dǎo)向，從材料相容性、催化劑制備篩選、催化床設(shè)計(jì)、噴注器設(shè)計(jì)與催化床擴(kuò)散關(guān)系、催化劑分解暫態(tài)行為等基礎(chǔ)研究，直至建立微小推力測(cè)試平臺(tái)、推進(jìn)器模組設(shè)計(jì)與推力噴嘴真空效率提升、性能評(píng)估分析法則、衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵元件開(kāi)發(fā)，以至完整的推進(jìn)器性能測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析與建立推進(jìn)系統(tǒng)模擬展示平臺(tái)，構(gòu)建完整的自主衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)研制與整合測(cè)試能力。

迄今，成功大學(xué)衛(wèi)星推進(jìn)實(shí)驗(yàn)自主研制的1牛頓等級(jí)過(guò)氧化氫單基推進(jìn)器已達(dá)到用于微衛(wèi)星的基本需求。通過(guò)這項(xiàng)合作所衍生的其他合作開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，還完成了活塞式燃料槽、薄膜式燃料槽、推進(jìn)器控制閥、電動(dòng)球閥式隔離閥等衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵元件的開(kāi)發(fā)，將在未來(lái)臺(tái)灣太空中心的衛(wèi)星計(jì)劃中進(jìn)行飛行測(cè)試，并向完全自主支持臺(tái)灣衛(wèi)星任務(wù)的目標(biāo)努力。

目前，臺(tái)灣自主研制的過(guò)氧化氫單基推進(jìn)器、推進(jìn)器控制閥、薄膜式燃料槽已進(jìn)入環(huán)境測(cè)試階段，推進(jìn)系統(tǒng)也以微衛(wèi)星為對(duì)象開(kāi)始進(jìn)行架構(gòu)?；厥渍麄€(gè)發(fā)展，經(jīng)長(zhǎng)達(dá)20余年的努力，從外購(gòu)關(guān)鍵元件進(jìn)行聯(lián)胺單基推進(jìn)器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，再通過(guò)探空火箭載荷任務(wù)的執(zhí)行，把實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)轉(zhuǎn)為實(shí)體工程，進(jìn)而成長(zhǎng)蛻變出臺(tái)灣自主衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)與研制能力，整個(gè)過(guò)程雖談不上篳路藍(lán)縷，但也歷盡千辛，實(shí)屬不易。