2016年5月9日

中央大學太空所—趙吉光教授專訪

作者/文詠萱(本刊編輯。中央大學大氣科學系太空組畢業,覺得學太空是一件很浪漫的事,喜歡編寫故事與看海。)




在2015年7月各家媒體爭相報導,福爾摩沙衛星五號將搭載中央大學自製的「太空魔方」── 先進電離層探測儀(Advanced Ionospheric Probe, AIP)──上太空,其主要任務是監控地球電離層的電漿環境。而此先進電離層探測儀除了為臺灣自製外,功能多合一、取樣率最高等紀錄也列名國際之最。這項令臺灣驕傲的成就,就是由中央大學太空科學研究所副教授趙吉光所領導。

趙吉光從大學一直到博士、博士後研究,到現在的教職工作,都是在中央大學太空所。趙吉光說:「當時因地緣關係、分數剛好落在中央大學,因此選擇就讀中央大學。中央大學在當時還沒有大氣科學系,只有物理系、大氣物理系、地球物理系三系合一的物理與地球科學系,到大三時再選擇物理組、大氣組、太空組、地物組。不分系有它的彈性,可以視情況決定想要讀什麼。」至於為什麼最後選擇太空組,趙吉光很有自己的想法:「一起學習的同學和師長們所營造的教學氛圍對我來說非常重要,在考慮過後,認為大氣的同學與環境最適合我,另外因為我對電磁學較有興趣,最後選擇太空組。」

許多人選擇的大學科系,未來不見得會以其為職業,而對趙吉光來說,在大學時期受到啟蒙,使他能夠對於此領域保有熱情。他說:「真正的啟蒙是在大三時,劉正彥老師剛回國,並在中央大學教授『電離層物理』,這堂課多用定量的方式去解釋太空,這和過去一些導論課程多使用定性的方式不同,讓我覺得好像真的比較深入了解太空環境。」

趙吉光在大學畢業後,對於是否要繼續就讀,他並沒有想太多,也未設下未來目標,只是繼續的學習,順水推舟。他選擇繼續留在中央大學,透過直升方式就讀太空所。

「其實我當時對於未來並沒有特別想像,不過我突然想到,小學時期常有的作文題目『我的志願』,還是個人資料表上會有的志願欄位,我就寫上『科學家』、『工程師』、『老師』三種職業。恰巧今時三項都實現了,不過一切都是機緣巧合,一切順其自然。剛好有機會實現,就努力把這些角色扮演好。」趙吉光笑著說:「通常願望都不會實現,但不知怎的,在我身上都實現了。」

踏入儀器製作

1999 年,福衛一號發射,那時福衛一號的電離層電漿電動儀所蒐集的資料是由中大太空所處理。「我在博士班時期主要研究『電漿模擬』,模擬帶電粒子在進入探測儀器內的運動行為,藉此明瞭探測器收集電流資料的狀況。當時福衛一號蒐集到的大量資料湧入太空所,分析後發現和一維理論有些差距,必須透過模擬結果來修正。」

「鑒於福衛一號的經驗,我聽從蘇信一老師建議,在博士後研究投入資料分析。蘇老師當時希望我能夠寫一套程式,可以穩定地擷取且換算出福衛一號的科學資料。而由於我對於這些資料來源與運作原理的了解,在一年內就完成。這套程式能夠快速且精確分析資料、讓資料結果連續且一致。而從2004 年福衛一號停止蒐集資料至今,已有超過百篇論文引用這一系列的資料。」

在當時,臺灣尚未有學校或是研發單位在製作太空酬載,衛星上的儀器也是向國外購買。若能自行生產、製作、組裝,就能夠照不同任務特性、不同目標來選擇想要的探測方式。因此中大太空所一直想嘗試走出新的方向。趙吉光說:「其實我在博士班時就想從事儀器製作,但在當時受限於計畫經費使用的限制,我們只能仰賴國外儀器量測的結果再作資料分析,而無法自主研究。」

「於2000~2006 年期間,我待在中央大學從事博士後研究。當時太空所正要推動『探空火箭科學任務計畫』,負責此計畫的朱延祥老師,希望能夠推動太空所的電漿觀測儀器製作,因此希望將儀器安裝在探空五號上執行科學研究。那時我心想,也許能由過去福衛一號電離層電漿電動儀的經驗中,學做『離子探測儀』,於是開始寫計畫書,向國家太空中心申請經費。」

儀器首次升空

探空五號火箭上的科學酬載「離子探測儀」搭配一組「三軸磁力計」,其中「離子探測儀」是由中央大學與日本大阪市立大學合作研製。趙吉光解釋:「在當時,所上許多老師擔心我從未製作過科學酬載,認為計畫可能會失敗,希望請有相關經驗的專家來教導我,因此向日本大阪市立大學南繁行教授請求協助。南教授在當時非常開心有人來向他請教,並非常熱心地提供幫助。」

南繁行教授算是趙吉光的領路人,和趙吉光合作後,持續維持像家人一樣的關係,趙吉光偶爾到日本也會前往拜訪與寒暄。與過去和美國人合作相比較,他認為美國人多是照著合約行事,你沒有要求,他不會替你著想。但南教授講究的是情感,經費只是形式,希望協助趙吉光成功地完成任務。

「儀器完成需要有完整的測試環境,太空所當時的環境與器材,沒有辦法自行測試,僅能請求相關單位協助。例如,我必須在日本完成儀器的電漿注入測試與振動測試。儀器運回國內後,與火箭共同執行整合測試,又得到中科院進行聯測、溫度循環測試、振動測試、旋轉測試等,很多時候只能自己與同仁扛著儀器去測試。」

探空五號上的「離子探測儀」主要是用以測量距地表90 公里以上的離子密度與溫度,這是趙吉光第一次主要參與火箭發射的任務。趙吉光闡述當時發射時與發射後的緊張心情:「當時發射時,我在地面遙測站緊盯著電腦螢幕,由火箭即時傳回的離子探測儀量測的片段數據。探空五號從發射到落海的時間僅有10 分鐘,氣氛十分緊張。當火箭升空時,所有飛試人員一陣歡呼。當火箭通過80 公里高時,針孔攝影機顯示鼻錐罩已順利開展,此時離子探測儀應該可以逐步顯示離子流量。但到達120 公里高時,一路看不到明顯的離子流量變化。心想完蛋了,沒看到100 公里高附近的電漿不規則體。當時上百人在會議電話中等待我回報科學酬載的量測情況,我只能沉默以對。一直等到火箭飛至200 公里以上,我才看到明顯的電離層離子流量隨高度逐漸上升,才回報離子探測儀偵測到電離層電漿,大家才鬆一口氣。當時心想雖然儀器是好的,但主要的科學任務應該是失敗了,花了一年多的時間,幾千萬的經費,我怎麼對得起在這兩個星期陪我們守在發射基地內上百位飛試人員的辛勞。」

「當天帶著有些沮喪的心情檢視所有的下傳資料,在仔細的檢驗後,發現到我們的確有量測到我們所熟知的電離層結構,且非常完整,包括 E 層的電漿不規則體,這是臺灣地區首度實地量測的電離層電漿密度剖面。欣喜這些日子的努力並沒有白費,這項研究充滿著許多挑戰,但也伴隨著刺激與不確定性。而在這次任務中,也學習與人溝通的方式,接觸到的範圍除了日本方面外,還有如何與國家太空中心、中科院等單位合作。」

太空酬載實驗室建立

在這次任務完成後,朱延祥老師鼓勵趙吉光申請太空所的教職,並希望他朝著太空所要發展的目標前進。趙吉光因此展開建造「太空酬載實驗室」。......【更詳細的內容請見科學月刊第557期

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