【Polytec】太空生存-專注於微隕石撞擊偵測 發佈日期 2026-01-19
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微隕石損傷預測及後果最小化
隨著太空探索的商業化，對於創新技術的需求不斷增加，包括行星探索與衛星任務。為了確保太空結構的安全性與可靠性，評估其結構完整性至關重要。太空中的嚴苛環境，如輻射與高溫波動，會加速材料劣化與磨損。此外，微隕石撞擊的風險無處不在，可能造成嚴重的結構損傷。
太空中的挑戰
隨著低地球軌道（LEO）衛星數量增加，由太空碎片造成的碰撞風險也在上升。歐洲航天局（ESA）估計，軌道上存在超過一百萬個直徑大於 1 公分的碎片，其中僅約 30,000 個被編錄並監測，例如由「太空監視網絡（Space Surveillance Network）」追蹤。與這些碎片的碰撞以及微隕石撞擊可能造成結構損傷，影響結構元件與電子子系統的功能，最壞情況下甚至可能終止整個任務。
目標：軌道內評估
傳統的地面無損檢測方法在太空中適用性有限。因此，對關鍵任務結構和系統進行軌道內狀態評估是必要的，以監測材料劣化過程以及單一事件（如撞擊損傷）的發生。
結構監測系統已在工業及地面應用中證明其技術成熟度。下一步的合理發展，是將已建立的監測方法和系統轉化並認證，用於太空環境。SeRANIS 計畫即透過「結構事件監測（Structural Event Monitoring）」飛行實驗，實施基於振動與超聲波的結構監測。
透過在 SeRANIS 研究衛星 Athene-1 上整合原型系統，將提供來自低地球軌道的振動數據，以改善太空態勢感知（SSA），並支持後續研究工作。
測試計畫
可靠偵測小顆粒的碰撞與撞擊，會受到衛星平台其他子系統產生的結構背景噪音影響。為了最大化監測系統的事件偵測率，算法檢測器必須針對預期的振動模式進行訓練。
為此，在德國弗萊堡 Fraunhofer 高速動力學研究所（Ernst-Mach-Institut, EMI） 進行了超高速撞擊（Hypervelocity Impacts, HVI）實驗。撞擊實驗使用二級輕氣槍（Two-stage Light-Gas Gun, SLGG），可將微粒加速至高達 7 km/s。
微粒被放置於投射器（sabot）中，透過黑色火藥點火產生氣體壓縮，使其達到所需的發射速度。部分粒子雲由直徑 100–200 μm 的玻璃球組成，以約 2.5 km/s 撞擊目標樣品（見圖 1 與圖 2）。目標樣品為由 Airbus Defense and Space GmbH 提供的光伏元件，並在目標室中垂直於發射軸對齊。
圖 1：光伏元件正面示意圖
光伏元件在目標室中對齊。撞擊脈衝由左側的測振儀（vibrometers）量測，右側則由壓電陶瓷加速度計與超聲波感測器記錄。
圖 2：光伏元件背面示意圖
光伏元件在轟擊室中對齊。偏轉鏡將測振儀（vibrometers）的測量光束引導，透過觀測窗口照射到目標樣品上。
為了將微小顆粒加速到超高速，目標室被抽空至 80 mbar。當載有微粒的投射器（sabot）進入目標室時，殘餘氣體的摩擦使投射器分離，從而使部分微粒雲被隔離，並以精準方式撞擊光伏元件。
目標樣品上同時裝置了壓電陶瓷加速度計與超聲波感測器，這些傳感器將來也會應用於太空任務中。
突破超聲波感測器的性能限制：使用 Polytec 雷射測振儀與訊號處理器
加速度計與超聲波感測器的機械設計限制了可偵測的頻率範圍。此外，感測器的慣性與與承載結構的物理連接不可避免地影響測量品質，使高頻訊號有時無法完整捕捉。
為了不損失測量資訊，實驗中使用了 Polytec GmbH 的四台雷射測振儀。這四台測振儀同時在目標樣品的前後四個測點量測撞擊信號。撞擊測試中，透過偏轉鏡將雷射光束精準對準定義的測點。
雷射都卜勒測振儀（LDV）利用光的頻移與測量表面速度成正比的特性進行測量。此方法對測量頻率沒有基本限制，因此即便是數兆赫茲的高頻運動，也能被精確捕捉。雷射測振儀因此可以測量超越傳統感測器量測範圍的瞬態信號。
對於撞擊測試而言，雷射量測的非接觸特性也具有明顯優勢：
1.不會對測試樣品造成質量影響，確保測量數據高度一致。
2.可方便地透過目標室的觀測窗口進行量測。
圖 3：光伏電池被多顆微粒穿透的示意圖
圖 4：光伏電池被密集微粒雲穿透示意圖
這些實驗的重點在於檢測與分析所謂的聲發射（acoustic emissions），這些聲發射會以彈性超聲波形式通過結構傳播。這類聲發射被稱為 Lamb 波，是檢測微粒高速撞擊的可靠指標。
既有的結構損傷與材料劣化效應也會以類似的現象表現，因此結構聲發射（structure-borne sound emissions）可以用來推斷元件的健康狀態。
圖 5：測量信號處理示意圖
使用 Polytec 訊號處理器對測量信號進行處理，並與感測器信號進行比較。功能強大且靈活的分析軟體，使測試實驗室能夠優化測量設定。
其中一個挑戰在於，撞擊的信號特性與所需的測量參數在測試開始時並不清楚，因此必須在每次測試之間進行判定與調整。為此，使用 Polytec 訊號處理器所提供的功能強大且靈活的分析軟體。
透過結合軟體功能，例如頻率轉換、濾波以及數值微分/積分，可以對撞擊信號進行分析，並與記錄的感測器信號進行比較，從而成功優化測量設定。
圖 6：光伏電池穿孔示意圖與微粒撞擊細節圖
展望
撞擊所引發的波脈衝伴隨著一系列複雜的物理過程：
•從撞擊點向外輻射可見光、紅外線及微波頻譜的電磁波發射；
•撞擊坑產生等離子體及次級微粒雲（見影片序列）；
•損傷形式從微裂紋到整個電池穿孔不等。
影片展示了密集微粒雲撞擊過程的逐幀影像：撞擊坑噴出等離子體與次級微粒雲，光伏元件完全穿孔。
為了可靠地偵測此類撞擊事件，必須了解這些現象所引發的振動與結構聲發射模式。所進行的研究對於開發創新的偵測演算法具有重要貢獻，而這些演算法正是 SeRANIS 飛行實驗「結構事件監測（Structural Event Monitoring）」的核心。
接下來，轟擊測試所得結果將用於篩選與驗證適用的感測器與硬體元件。
最終，基於振動與超聲波信號的偵測與分類方法將接受訓練，以評估其在實際操作條件下的適用性。該實驗的原型將在低地球軌道（LEO）執行至少兩年的任務測試。
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