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澳科一號 提升澳門航天科研

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排行榜 收藏 發佈時間:2021年2月04日
      

低緯度衛星與極軌道衛星 copy

U{*FKP(g8hF"KY-J0「澳科一號」(圖右下,低緯度衛星)為獲得南大西洋異常區的全貌,需求衛星的軌道傾角約為41°,與Swarm衛星(圖左上,極軌道衛星)相比,可將地磁場測量在低緯度的空間解析度提高一個數量級。

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早於戰國時代,我們的祖先已發現了地磁場,並據此發明了「司南」。到了宋朝,指南針的出現,令航海事業得到長足發展。時至今日,地磁場的應用十分廣泛。澳門雜誌%?.] z'Fm6gE

為觀測南大西洋上空地球磁場異常區磁場變化的精細特徵,澳門首顆科學與技術試驗衛星「澳科一號」,計劃於今年內或明年初升空。澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室主任張可可教授稱,澳科一號是世界上第一顆低緯度地球磁場監視衛星,對研究相關地球科學問題具有重要作用。

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全球第一顆低緯度地磁衛星

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在澳門特別行政區政府、中央人民政府駐澳門特別行政區聯絡辦公室和國家航天局的大力支持和協調下,澳門科技大學(下稱「澳科大」)於20187月,成立了中國天文學領域第一個國家重點實驗室――月球與行星科學國家重點實驗室(下稱「實驗室」),與國內外多家機構聯合展開「澳門首顆科學衛星」的研製及相關科學研究,這是澳門太空研究領域的里程碑。

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磁場是行星的「保護傘」,地磁場作為地球的保護傘,抵擋了許多來自外太空的有害宇宙射線、強烈的太陽風暴粒子,然而,近400年來,地磁場出現持續衰減現象,這將會左右人類生存環境。科學家們發現,很多飛機和太空飛船在大西洋南緯20°-30°的區域(南大西洋異常區,簡稱「SAA」)經常出現通訊信號失靈的現象,於是便研究該現象產生的原因,並預測未來的變化趨勢。澳門雜誌:}6D(`#`E$K)M

由澳門科技大舉辦的「澳門星 航天情 中國夢」航天科普 
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由澳門科技大舉辦的「澳門星 航天情 中國夢」航天科普展,展出了嫦娥四號着陸器的模型。

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作為全球第一顆低緯度地磁衛星,為了有效捕捉和監測SAA的磁場、高能粒子通量、太陽X射線輻射的時空變化等,「澳科一號」(註1)將圍繞低緯度地區飛行。與極軌道衛星相比,低緯度衛星不僅在檢測數據上有不同,在發射方式、監測方式、發射軌道等亦大不一樣。「由於實驗及研究需要龐大的數據量,而極軌道衛星幾天才會經過異常區一次,停留的時間僅為幾分鐘,收集的數據量不足。因此,唯一的解決辦法就是發射低緯度衛星進行持續監測。」

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張可可教授進一步解釋,低緯度衛星移動速度較快,可增加經過監測區域的次數。不過,低緯度衛星的發射難度更高,成本非常昂貴。因為火箭一般可搭載多個極軌道衛星發射到軌道上,而低緯度衛星則需要利用專門的火箭發射單一衛星升空。澳門雜誌"WQ'[)|8b

「澳科一號」另一個任務是研究太陽風對空間天氣的影響,張可可介紹:「『澳科一號』工作壽命約56年,能覆蓋半個太陽活動周期,我們正在研究發射第二顆,甚至第三顆衛星的可行性,由數顆衛星組成的星座,能夠持續監測太陽活動周期,這具有非常重要的研究意義。」

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精確監測地球磁場

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張可可稱,「澳科一號」衛星的研究分為4個階段:一是提出衛星將要實現的科學目標;二是基於科學目標設置衛星工作的高度及緯度;三是確定衛星工作需要測量的物理參數;四是與研究機構展開對衛星部件的設計。為嚴謹地達到「澳科一號」衛星預設的科學任務,4個階段的工作環環相扣,缺一不可。

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另外,為達到「澳科一號」衛星「南大西洋異常區地磁探測與地球液核發電機動力學研究」的核心科學目標,科研人員需要測量地球的磁場,但在衛星設計上,面臨不少技術難題。「我們都知道,磁場是由電流產生的,而衛星需要用到電器,電器運行時除會產生電流,亦會衍生磁場。這樣一來,衛星本身產生的磁場(主體剩磁)與地球產生的磁場疊加在一起,便會影響到測量地球磁場的精確度。為了防止衛星磁場與地球磁場混淆,衛星必須配備一定長度的伸桿,使磁場測量儀器的監測範圍離開衛星磁場區,才得以精確測量地球磁場。」澳門雜誌:oV:P"L'Q$MZA!H

裝配一枝伸桿,似乎是簡單不過的事,但原來確定伸桿的長度以及選用的材質,已是一大難題。張可可解釋:「實際上,伸桿越長越不穩定,如果測量的磁通量不準確就沒有參考意義了,所以長度設計約8米是必須的。此外,為防止伸桿在天上一直晃動,其製作材料必須採用剛性,且不能產生電流的非磁性物質。」

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張可可教授稱,在橫琴設立月球與行星科學國家重點實驗室 
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張可可教授表示,在橫琴設立月球與行星科學國家重點實驗室分部,為科研活動提供了便利性,能助力澳門融入大灣區版圖。澳門雜誌[email protected]!mF pN0~1Y

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進軍澳門磁場導航澳門雜誌 wjbm9o,OY3n

一直以來,博彩及旅遊業都是澳門的經濟支柱,為實現經濟適度多元,澳門特區政府近年積極探索不同的發展方向。與內地合作科研「澳科一號」衛星,看似與改變經濟結構單一風馬牛不相及,實際上卻是一條可行出路,張可可分析:「若航天科技產業作為澳門經濟發展的支柱之一,前景非常可觀。澳門寸金尺土的環境並不適合大量開設工廠,發展高科技的航天產業,只需要幾位重要的技術人員就位便可。」

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至於人才方面,航天項目落戶澳門,不但能積極推動人類科學進步,亦助力澳門成為國際高端基礎科學人才的優勢平台,為澳門青少年科普提供了良好環境,可謂一石三鳥。張教授認為,青少年是社會發展建設的中堅力量,讓澳門的基礎教育融入科學元素,不但能提升青少年的科學興趣,更能推動社會的高科技產業發展。

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對於這個願景,也許普羅大眾沒有具體概念,張可可興奮地為我們描述了一幅初步藍圖:「我們現正準備在澳門建設衛星地面站,由地面發射指令控制衛星工作。與此同時,我們即將建立行星數據分析中心,將衛星收集到的所有數據都儲存到中心內進行分析處理。工作人員可在同一塊大銀幕上見到整齊排列的分割熒幕,它不僅能展現衛星的精確高度、緯度以及工作運行狀態,還能監測全世界地球磁場的空間環境並收集磁場數據。」

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地球磁場對現代化工業產業起着舉足輕重的作用,諸如礦產資源普查、室內導航、石油鑽探智能導向、航海導航、空間天氣預報等應用領域都需要精確的磁場數據。「利用地球磁場幅能夠確定地理位置,儘管這和GPS功能很像,但GPS在地下甚至在海上都會失靈,而磁場導航能彌補這個缺點,GPS和磁場兩套導航系統相互配合工作,能為未來導航帶來新機遇。」張可可教授心裡充滿期盼:「我期望未來,每部手機都配備了由澳門發明的磁場導航系統。」澳門雜誌'~U%{2yal.Wm

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澳門科技大學於2019年舉辦的「澳門星 航天情 中國夢」航天科普展

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科技名片助澳立足世界澳門雜誌-H(S+pEB'Nk F\

20191215日,國家航天局與澳門共同設立了太空探索與科學中心(下稱「科學中心」),科學中心在澳門科技大學揭牌,標誌着澳門與內地的航天合作步上新台階,為中國與國際深空探測合作交流搭建平台。「澳科一號」作為與內地科技合作的媒介,這張本地「科技名片」能夠擴大澳門在粵港澳大灣區中的科技影響力,並有助於推動澳門成為高科技研究國際中心。澳門雜誌 Tp1I(iYDp7D

「與世界接軌、合作是澳門未來的發展方向。衛星項目啟動的時候,世界各國在天文領域有卓越成就的科學家齊聚一堂,對澳門來說,將科技名片立足在地球版圖上,是千載難逢的好機會,對澳門航天科研發展具有巨大的推動作用。」教授再補充,中國已經把航天事業作為強國的發展戰略(航天科技是評估一個國家硬實力的其中一項重要指標),國家航天局為了扶持鼓勵發展澳門的航天科技,不僅提供了科研基金,也讓實驗室的成員參與很多國家航天工程項目。澳門雜誌 AT Xq7M:X)J1U

2005年開始,澳科大研究團隊在實驗室正式成立前,已參與國家探月工程(又稱「嫦娥工程」),展開中國探月工程的數據分析和研究工作,為「澳科一號」的研究奠定了夯實的科學基礎。除了「嫦娥工程」、「澳科一號」外,澳科大還參與了中國首次火星探測任務「天問一號」(註2)的科研工作,負責火星環繞器工程測量分系統可分離遙測探頭研製生產、數據處理及分析工作。「類地行星具有相通性,火星已處於演化的後期,研究目前火星內部機理與外部環境,對於研究地球未來的發展具有重要的參考意義。」

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左二《火星救援》、右二《重返地球》學生們仿佛置身宇 

學生透過VR技術,模擬體驗太空人的工作。

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1:為了與大眾分享澳門科學發展的喜悅,提升社會各界對澳門科學發展的關注,2019109日,實驗室啟動澳門首顆科學衛星徵名活動,共收到超過1,500個提案,最終衛星定名為「澳科一號」,象徵澳門科學技術展翅騰飛。

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22020723日,中國首次火星探測任務「天問一號」探測器在中國文昌航天發射場,由長征五號遙四運載火箭成功發射,進入地火轉移軌道,發射任務取得圓滿成功,拉開了我國行星探測的序幕。澳門科技大學在中國的首次火星探測任務中發揮了重要作用,目前實驗室已完成和在研的火星研究項目有11項。

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航天科普展

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20191215日,澳門科技大學舉辦了「澳門星 航天情 中國夢」航天科普展,展覽分為「澳門星」、「航天情」及「中國夢」三部份,藉航天珍貴歷史圖片、嫦娥四號着陸器、長征五號運載火箭、「澳科一號」模型等,記錄了澳門支持祖國、內地與澳門在航天領域的交流合作成果,以及祖國航天發展歷程中令人難忘的重要瞬間。

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展覽期間,吸引了多所學校學生、眾多市民前往參觀。為豐富展覽的科普性、互動性和趣味性,展覽還專門設置了「夢回神舟太空返回艙」、「火星救援太空座椅」等科普互動體驗展區,讓參觀者體驗「太空人」的工作。澳門雜誌 UShf|;xz;O

除了向公眾開放的科普展外,澳科大每年都會展開各式各樣的科普活動,例如科普培訓課程、交流遊學、科學教育實驗、高校科學營等,致力提升青少年的科學興趣,培養科技儲備人才。張可可教授透露,日後澳科大會舉辦更多展覽與活動,讓市民瞭解航天科技。

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澳科一號A部分,用於精確測量磁場矢量,衛星姿態以及高能 

澳科一號A部分,用於精確測量磁場矢量,衛星姿態以及高能粒子輻射通量。模型伸桿為4米,實際長達8米。

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澳科一號B部份,聯合A部份實現對南大西洋異常區的空間環 
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澳科一號B部份,聯合A部份實現對南大西洋異常區的空間環境進行三維監測。澳門雜誌uw*^;UxU/y(sI_

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延伸閱讀澳門雜誌{]_3kps+i1G%L

三顆姐妹星

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張衡一號02衛星將於2022年初發射,屆時,張衡一號、張衡一號02衛星將與澳科一號共同組成姊妹星。3顆衛星在軌道運行,將有效支撐地震監測預測科學探索和空間天氣監測預警研究。張可可教授指出,澳科一號衛星與張衡系列衛星都需要磁場數據的支撐,但對於磁場要求的精度不一樣。

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張可可教授簡歷

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1982年獲得南京大學天文學學士學位,1985年和1987年分別獲美國加利福尼亞大學洛杉磯分校地球物理與空間物理碩士學位和博士學位,1987年至1992年在美國加利福尼亞大學與英國劍橋大學從事博士後研究。2013年獲得英國皇家天文學會成就獎(Achievement Award),於2017年在劍橋大學出版關於物理流體動力學專著《THEORY AND MODELING OF ROTATING FLUIDS》。

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2018年開始,擔任月球與行星科學國家重點實驗室講座教授與主任、「澳門科學一號」衛星項目首席科學家,主要從事行星物理研究。2020年獲得澳門特區政府科學技術一等獎。澳門雜誌D*vN&t"ca.IMN.A5OFM

文:曾海英 圖:宋楚珊、陳思禮、澳門科技大學澳門雜誌p s-J u:{[email protected]


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