第三十一卷 第八期 - 2018年四月二十七日 PDF
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福爾摩沙衛星五號發射產生的大氣電漿洞
林建宏1,*、周敏揚1、沈明學2
1 國立成功大學地球科學系
2 國立成功大學航空太空工程學系
 
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【106年科技部傑出研究獎】得獎人專刊

爾摩沙衛星五號在2017年8月24日以SpaceX的獵鷹火箭(Falcon-9)發射,由於福衛五號是該次發射的唯一乘客,SpaceX於是採取一特別的發射方式,就是直接將火箭往725公里高度的衛星任務軌道發射!一般而言,衛星任務發射為了讓火箭能發射較重的衛星,並不會直接讓火箭發射到衛星任務預定軌道高度,而是會讓火箭在發射後由垂直向上的角度逐漸轉向至較趨向水平的火箭飛行角度,也就是火箭飛行姿態由垂直緩緩地轉向水平軌跡並飛往200公里高度,然後將衛星彈射出在此高度位置,然後再經由操作衛星軌道轉換,讓衛星慢慢地改變軌道而前往其預定任務軌道高度。福衛五號發射時,衛星重量遠低於獵鷹火箭的推進能力,因此火箭直接往725公里高度飛行並始終保持垂直飛行角度往上衝 (圖一)!
圖一、比較SpaceX 發射福衛五號(紅線)與JASON-3任務(藍線)的速度、高度(縱軸)隨發射後時間(橫軸,單位為分鐘)變化。 JASON-3發射採用傳統的發射路徑,火箭飛往200公里高度後將衛星彈射出,福衛五號則是直接飛往725公里高度。

垂直向上衝的獵鷹火箭因此造成了巨大的同心圓形超音速震波呈現在太空電漿密度,圖二可以看到震波將電漿推擠成同心圓的電漿密度增加(紅色)與減少(藍色)區域,該同心圓震波的最大直徑約1500公里,涵蓋的面積約為加州面積的四倍、台灣面積的五十倍(圖二)!這是目前觀測到最大的太空電漿圓形超音速震波!除了巨大的超音速震波,火箭發射30分鐘後,電離層太空電漿也因為火箭燃燒噴發的水分子與電漿快速結合而造成電漿大量的消失,在電離層中產生一直徑約900公里的電漿洞,並持續約2小時(圖三),此一電漿洞猶如一個人造的太空天氣事件,對於受電離層影響的科技應用產生衝擊。例如,電離層是即時GPS定位、導航的主要誤差來源,為了消除電離層電漿對GPS訊號產生的誤差雜訊,工程師利用多個GPS參考站,解算電離層產生的誤差量,但是此一火箭效應會讓位於電漿洞下方的GPS接收機產生嚴重的誤差雜訊低估,因而傳遞錯誤訊息給位於電漿洞之外的GPS接收機而影響定位、導航準確度!這對於未來飛航、自動駕駛導航都是一不可忽視的影響量。
圖二、SpaceX獵鷹火箭發射福衛五號產生的巨大同心圓超音速震波,紅、藍色為電離層電漿受到超音速震波影響產生的電漿增(紅)減(藍)擾動。涵蓋範圍最大超過美國加州的四倍、約為台灣面積的50倍。

圖三、福衛五號火箭發射,火箭燃燒造成巨大電離層電漿洞(左上圖藍色區域)。右圖火箭軌跡取自其他火箭發射作為示意圖。

此次福衛五號發射造成顯著的大氣、太空環境影響是非常重要的!隨著人類因為可重複使用火箭節省發射成本,未來將有越來越頻繁的火箭發射 - 從過去一年僅數次發射到現在幾乎每月、週皆有火箭發射,此外,行星探索、載人任務將有大型火箭需求(如獵鷹重型火箭),這些頻繁的發射、以及具備超級推力的大型火箭將逐漸對中高層大氣產生影響,而無法被忽視。

傑出研究獎感言:能夠獲得國際矚目的研究成果主要來自於我們深具熱情的太空科學團隊,因為熱情,我們可以在接連發生太陽風暴、颱風、日食、火箭發射等事件時,即時分析關鍵的觀測資料、獲得一次次的突破,從發現太空天氣預報系統具備預報能力、颱風產生大氣重力波可傳播到太空並誘發太空電漿不穩定擾動、2017年全美日全食產生行星尺度音爆波、2016 年SpaceX 火箭發射產生圓形重力波,並在最近因為發現福衛五號發射時產生破紀錄的超音速太空震波,並在太空產生巨大電漿洞,引起Nature報導、美國地球物理學會專文介紹、期刊封面以及世界各國媒體報導。這些有如幻境的成果,讓我深深體會到知名物理學家惠勒所說的“大學是一個讓學生到學校啟發、教導教授的地方”。
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