SPACE SCHOOL

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JPL工程師的「新」方向:遵循古法

在一次次的發射任務裡,火箭公司和衛星開發者們在制定發射計畫中,一個容易被忽略,卻又相當重要的問題便是:「如何盡可能裝滿酬載空間(Payload)?」

封面圖、JPL工程師設計的幾個摺紙範例

  對科學家們而言,當一個太空任務需要被分割成好幾次的發射時,便意味著龐大的經費問題;另一方面,對火箭公司而言,若能找到更多小衛星客戶,便能提高收益,亦能調降每單位空間的價格,吸引更多合作客戶,是促進雙贏的好方法。

  於是各式各樣的方法就出現了:以福衛五號發射為例,SpaceX將主酬載空間以外的多餘部分分割成許多小格,讓許多立方衛星跟著福衛一同升空(然而由於發射時間的一再拖延,最後只剩福五獨自發射);而NASA也有主任會在發射前跑到超市購買零食、冰淇淋等,放到太空梭的小冰箱裡一齊送到ISS,是每次運補任務中最令太空人期待的部分。也曾有HASSE太空學校學生設計的任務徽章,長途跋涉到ISS呢!

  基於此,科學家們在設計衛星的同時,也要考慮外型大小是否能放進火箭裡頭。其中最令人頭痛的,便是太陽能電池。若想得到越高的發電量,則太陽能電池的面積也就得越大,代表著更難放入酬載空間有限的火箭。而位在加州的NASA噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)的科學家們正在嘗試以「摺紙」的方式,來解決太陽能板面積龐大,但火箭的運載空間卻不足的窘境。



圖一、JPL工程師展開他們設計的摺紙範例(一)



圖二、JPL工程師展開他們設計的摺紙範例(二)



圖三、JPL工程師展開他們設計的摺紙範例(三)



  早在上世紀,由日本航太工程師三浦公亮所發明的「三浦折疊」,於1995年首次使用在日本衛星「太空飛行(Space Flyer Unit)」新設計的太陽能板上,而後也多次使用在其他衛星的太陽能板。受其啟發,JPL的工程師們也在嘗試許多不同的折法,而在這之中唯一不變的是——只需要朝一個方向拉動,便能全部展開。

  聽起來並不困難,但卻是整個任務的關鍵。因為在沒有太空人協助的情況下,要將預先摺好的物品展開,一切只能依賴電腦控制的機器操作,然而,為了將效益最大化,輔助用的裝置又不能佔據太大的酬載空間。因此若能簡化操作方式,就能降低這些電機裝置的重量與體積。



圖四、三浦折疊



  而「摺紙」這樣好用的技術,雖然才剛剛起步,卻已有人將它視為JPL的明日之星。有人提議以一名為Starshade,直徑85英尺(26公尺)的花狀薄膜,約是一個標準棒球場中4個壘包圍成的面積大小,為望遠鏡屏蔽遙遠恆星的光線,才能清楚觀測到其周遭的行星。



圖五、Starshade展開示意圖



圖六、Starshade工作想像圖



  而將來要克服的一個困難是:跟膜或紙不同,太陽能板是有厚度的。所以在太陽能板的計畫中,都必須重新設計。雖然如此,早在2013年,JPL工程師Brian Trease和摺紙專家Robert Lang及楊柏翰大學Larry Howell教授、博士生Shannon Zirbel,便已合作開發了一款直徑為8.9英尺(2.7公尺)的太陽能陣列,若是將它展開,直徑將能達到82英尺(25公尺)。下圖為他們1/20比例的結構模型,直徑為4.1英尺(1.25公尺)。



圖七、博士生Shannon Zirbel與她們計劃裡開發的結構模型(一)



圖八、博士生Shannon Zirbel與她們計畫裡開發的結構模型(二)



圖九、用來模擬太陽能板厚度的木製「摺紙」模型(一)



圖十、用來模擬太陽能板厚度的木製「摺紙」模型(二)



  看似簡單,卻蘊含了複雜的數學計算,源自日本的傳統技藝,「摺紙」已然啟發許多工程師們對於設計的靈感。「這是藝術與文化和科技的美妙交會。」Trease說。而負責Starshade計畫的技術專家Manan Arya也表示:「摺紙扮演了日益重要的角色。」也許它很古老,而在藝術之外,它將為人類的太空探索帶來更龐大的助益!



 



參考資料與圖片來源:

[1]What Looks Good on Paper May Look Good In Space/JPL

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6950

[2]Solar Power, Origami-Style/NASA

https://www.nasa.gov/jpl/news/origami-style-solar-power-20140814

封面圖、JPL工程師設計的幾個摺紙範例https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6950

圖一~三、JPL工程師展開他們設計的摺紙範例

https://www.facebook.com/NASAJPL/videos/vb.8261258923/10155133071253924/?type=2&theater

圖四、三浦折疊

http://isublog.com/san-pu-fa-ming-de-ren-zao-wei-xing-tai-yang-neng-dian-chi-ban-zhe-die-fa.html

圖五、Starshade展開示意圖

https://www.scientificamerican.com/article/a-starshade-could-help-nasa-find-other-earths-decades-ahead-of-schedule/

圖六、Starshade工作想像圖

https://www.spaceanswers.com/futuretech/new-worlds-mission-hunting-for-alien-life-using-a-starshade/

圖七~八、博士生Shannon Zirbel與她們計畫裡開發的結構模型

https://www.nasa.gov/jpl/news/origami-style-solar-power-20140814

圖九~十、用來模擬太陽能板厚度的木製「摺紙」模型

https://www.facebook.com/NASAJPL/videos/vb.8261258923/10155133071253924/?type=2&theater

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