COTS逐項通關晉升太空元件　模擬測試應對火箭發射/輻射挑戰(1)

2024-07-01

曾達麟

太空經濟正逐步起飛，而由於正統太空規電子零組件價格高昂且不易取得，採用COTS元件執行太空任務成為熱門趨勢。本文將從火箭發射環境、太空環境，逐一說明COTS欲跨入太空應用將面臨的挑戰和驗證測試方式。

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自1957年第一顆人造衛星發射後，現今已有近萬顆衛星在太空飛行，數量持續增加中。衛星已經與我們的日常生活密不可分，應用包括地圖導航、實況轉播等，另外．俄烏戰爭中使用「星鏈」衛星通訊聯網，台灣也在0403花蓮地震首次使用低軌衛星技術，協助災區通訊，顯示發展衛星科技除了民生用途，也深具國家安全考量。

台灣從2019年到2029年，於第3期「國家太空科技發展長程計畫」投入超過新台幣400億元，進行低軌通訊衛星的研製、規畫國家發射場與人才培育。工研院估算，至2030年，全球每年將發射1,700顆衛星升空，屆時將創造至少4,000億美元的產值。根據美國衛星產業協會(Satellite Industry Association)預計，全球太空經濟在2040年更有望突破1兆美元，其中衛星產業占比上看88%，達9,252億美元。

衛星按軌道高度可分成低軌(LEO<2,000km)、中軌(MEO<10,000km)以及地球同步軌道衛星(GEO~35,800km)(圖1)，重量從幾公斤到數百公斤不等，其中SpaceX Starlink低軌通訊衛星近年轉向商業化，開啟了新太空經濟模式。此外，由於立方衛星(CubeSat)造價門檻相對較低，也成為切入衛星產業的熱門研究方向。衛星產業鏈日趨成熟，再加上衛星發射和製造成本降低，帶來龐大的太空商機，相應的電子零組件需求亦隨之增加，讓不少廠商對邁向太空市場摩拳擦掌。

衛星由幾個次系統整合而成，包含姿態控制、電力、熱控、通訊、推進和酬載(Payload)等(圖2)。以遙測衛星(Remote Sensing Satellite)為例，其功能是繞地球軌道拍攝照片，其中姿態控制次系統使鏡頭能維持對著地球方向，影像感測器則是攝取影像的酬載，電力次系統負責電力儲存與電源管理，最後照片透過通訊次系統傳回地面。

衛星內部有我們熟知的各種電子零組件。正統太空規的電子零組件要價不斐，且某些零件因各國管制政策不易取得，而商用現貨(Commercial Off-the-Shelf, COTS)，例如電腦、手機和汽車採用的電子零組件，價格相對親民，性能好，供貨也較充沛，採用COTS執行太空任務是近年的熱門趨勢。

COTS電子零組件要上太空，需要經過哪些驗證測試？本文將從火箭發射環境、太空環境，逐一說明COTS欲跨入太空應用將面臨的挑戰和驗證測試方式。

火箭發射對電子零組件的影響

首先說明火箭發射過程中，可能對衛星電子零組件造成影響的幾個重要考慮面向，以及確認產品符合需求的測試方式。

振動測試

衛星在地面製造組裝，需要考量溫度、濕度、粉塵汙染等影響。組裝好的衛星搭乘火箭從地面發射，首先會承受火箭的劇烈振動，振動測試機可以在地面模擬火箭發射，以垂直與水平方向進行振動測試。不同火箭具有不同的振動幅度，例如美國SpaceX獵鷹重型火箭，其振動測試參數為每秒鐘10~2,000次的振動頻率，重力加速度到幾十倍。振動測試(圖3)可用來確認衛星或電子零組件在經歷發射過程後仍能正常運作。

音震測試

火箭發射過程也會產生音震(Acoustic Noise)，面積大且薄的零件尤其容易受到音震影響，例如太陽能電池板、天線面板等。音震可能導致這些零件破裂、機構損壞，或是功能發生異常。音震艙可用於模擬火箭發射所產生的音震，測試時將液態氮汽化，此時液態氮體積會瞬間膨脹數百倍產生巨大壓力，再經由喇叭將氣流動能轉為聲波導入音震艙，測試音震艙內的衛星或零件(圖4)。