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球形馬達衛星的減重祕方

文.圖片提供/諸恩平(中華民國行星科學系統工程學會理事長) 圖/古室友 (2021/5/31)

 二○一二年,特斯拉創辦人馬斯克創立了SpaceX公司,至今不論是可回收火箭、星鏈計畫等,都為數十年來進步緩慢的航太產業注入新的活水,儼然開啟了另一場太空競賽。

 一九九九年,加州理工學院和史丹佛大學共同提出了「立方衛星」的構想,這種標準化的規範,大大降低衛星的開發成本。從此之後,產、官、學界無不大力投入微衛星開發,微衛星數量也迎來爆炸性的增長。

 然而衛星雖然縮小,但製作難度可未降低多少。想要將同樣數量的衛星次系統,從原先如一輛卡車大小,到現在要塞進飲料杯一般高的空間裡,次系統間的尺寸、重量都得斤斤計較。

 當質量每增加一公斤,就代表提升十萬美元的發射成本,怎麼縮小、簡化、提升效率,成了每個衛星團隊的大難題。

研究人員正在秤量球形馬達,它的體積相當輕巧。

球形馬達。

球形馬達 輕巧更勝

 在宇宙中,為了因應天體重力、地球磁場或太陽光壓等因素干擾衛星的姿態,或是為了讓衛星朝向不同方向以利完成任務,當前的衛星通常會需要三顆以上的「單軸馬達」,分別朝不同軸向旋轉,利用角動量守恆的原理來調整姿態。

 這樣的系統不但複雜、很重,且很占空間,張量科技將目光投注在只需要一顆馬達,就能達成三個軸向轉動的「球形馬達」。

 話雖如此,但到目前為止,尚未有團隊開發出實用性夠高、能符合衛星需求的球形馬達。張量科技創辦人之一的顏伯勳,受奧迪研製的球形輪胎啟發,透過改善電磁場結構設計,短短三年間不斷在球形馬達領域突破,如今已成為全球唯一一間研發球形馬達作為衛星姿態控制的公司。

 「我們只要用一顆球,就能做到跟三顆單軸馬達一樣的效果,又輕,又不占空間。」顏伯勳說。

球形馬達的體積、重量,以及耗能,僅有傳統馬達的三分之一,就能達到同等的衛星姿態控制效果。圖/古室友

獨步全球 力拚上天

 在太空產品的開發週期中,美國太空總署提出「技術就緒指數」(Technology Readiness Level,TRL),來評估某項技術從原理研究到能實際應用的階段狀態。

 在衛星姿態控制領域,雖然全球一共有四家龍頭達到TRL9的最高級別,但這四家都使用傳統的單軸馬達做控制,球形馬達控制系統堪稱為全球獨一無二的產品。

 為了增加更多研發時間,顏伯勳甚至向學校申請自學計畫,以更專注於研發球形馬達。

 現在,張量科技的球形馬達,已經達到歐洲太空總署(ESA)的系統設計要求,並且完成上太空前須做的衝擊、輻射、熱真空等測試來到TRL7等級,是全球第一個達到這個等級的球形馬達。

 為儘快達成TRL9的目標,如今他們找了同樣是新創的波蘭衛星商SatRevolution,力拚在今年內將球形馬達控制系統送上太空驗證,期望能在全球衛星市場中站穩腳步!