專業 物理

新太空,站穩腳步再出發

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撰文者:趙吉光 國立中央大學太空科學與工程學系 副教授
發文日期:2020-10-19
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  • 新太空 (New Space) 通常泛指近年快速發展的太空商業化,相對於過去各國政府一向以國家機構主宰太空發展,現在私人企業扮演越來越重要的角色。例如,以SpaceX為首的新興太空新創公司,逐步投資太空領域,私人企業已擁有最多的可運作衛星數目。而其他網際網路的大型科技公司,如GAFA(Google, Apple, Facebook & Amazon) 等,也正覬覦這塊市場。自2009至2018年,共有180億美元的太空新創投資,單在2018年就有32.5億美元的投資。而依照Bryce Space and Technology, LLC的統計,2018年的全球太空產業已達3,600億美元。當然現在與其他產業(如全球汽車工業產值每年應在3兆美元以上,銷售近億台汽車)相比,目前太空產業的產值(每年發射衛星數應少於1,500顆)還非常小。然而預計太空產業將快速成長,下個十年將成長至數兆美元。


    為何有如此樂觀的預期,可用低地軌道 (Low Earth Orbit) 衛星所提供的衛星通訊服務為例。一般來說,低軌衛星的飛行高度距地表約500-900公里,以每秒7-8公里的速度,約90-100分鐘便可繞地球一圈。與過去常用的地球同步軌道 (Geosynchronous Orbit) 通訊衛星之時間延遲(500-600毫秒)相比,低軌通訊衛星有極佳的表現(25-35毫秒),甚至有機會比家中常用的數位用戶線路(Digital Subscriber Line, 25-80毫秒)還好。以Starlink為例,目前正以每天製造4顆低軌通訊衛星、每2星期發射一次運載火箭、同時搭載60顆衛星入軌,預計先期部署至12,000台(之後將部署42,000台)。截至2020年8月為止,Starlink已自2019年開始展現短期內大量發射與製造衛星的能力,並已完成部署597台低軌通訊衛星。接下來如何持續地降低成本(讓每台衛星的造價與入軌費用小於100萬美金),提供足夠的頻寬 (1 Gbps),達成可接受的通訊費(每月80美元)與安裝費用(100-300美元),將成為關鍵。衛星通訊可與地面基地台互補,涵蓋基地台無法觸及之地,拓增網際網路的使用人數與普及化。預計可以100億美元的成本,創造每年300-500億美元的產值。


    能達成太空商業化的契機,可粗略歸因如下。首先,發射價格已明顯地大幅降低,過去每公斤的發射費用動輒需要10萬美金以上。然而現在發射價格已大幅降低至每公斤5千美金。以SpaceX獵鷹九號 (Falcon 9) 為例,其每次發射服務價格620萬美金,可推升22.8公噸的衛星至低地軌道。並且該公司現提供小衛星共乘計畫 (Smallsat Rideshare Program),每個月都能以每次100萬美金的價格,將200公斤以內的衛星送入低地軌道。其次,科技的進步讓衛星與酬載開始縮小與減重。過去要幾公噸重的衛星才能達成的任務,現在也許只要幾公斤重的立方衛星便能達成。質量變輕,便代表發射費用又可以減少。立方衛星有各種尺寸,通常以U作為標準單位。1U的立方衛星,通常是指邊長10公分的立方體,質量約1-1.33公斤。近年立方衛星有發展各種尺寸,例如1.5U、2U、3U、6U、12U等。能安裝在標準的發射箱內,可選擇的發射載具自然變多。發射服務公司也藉由酬載空間最佳化,增加同次發射衛星數目,也能降低發射單價。


    發射成本可大幅降低與系統能輕量化的主要原因是大量採用物美價廉的商業規格 (Commercial Off-The-Shelf, COTS) 元件搭配備援設計,而非使用高昂且笨重的太空規格 (Space Qualified) 元件。藉由一系列的太空環境測試與飛行驗證,讓商業規格產品最終可獲得飛行履歷 (Flight Heritage)。從成本效益分析,當生產與部署多顆商業規格衛星比單顆太空規格的衛星還便宜時,多顆商業規格衛星構成的星系必定比單顆太空規格衛星能創造更高的產值。雖然商業規格衛星的可靠度相對較低,但即使故障或失效後,也可用較低的成本來替換。


    國立中央大學(簡稱中大)在臺復校之初,於1968年成立大氣物理學系學士班並開始高空物理組教學,當時較著重太空理論研究與發展地面同調散射雷達遙測大氣環境。之後為配合國家籌備太空計畫,在1990年成立國內首創之太空科學研究所,逐漸將重心移向使用衛星作為觀測平台。歷經30年兩期的國家太空科技發展長程計畫,從第一期的華衛一號、福衛二號、福衛三號,學習使用衛星探測太空環境。雖然當時所有的科學酬載都是向國外採購,但都是全世界最頂尖的科學儀器,也讓臺灣的太空科學家獲得令人稱羨的科學成果。而後在第二期的福衛五號與福衛七號,開始邁向自行研發科學酬載的階段。在國家太空中心的協助下,學界累積多次探空火箭探測太空的經歷,終有機會在福衛五號上安裝自製的科學酬載-先進電離層探測儀(Advanced Ionospheric Probe,見圖一)執行自行規劃的科學任務,最後獲得學界第一張達成任務壽命的飛行履歷。


     
    fig1 (5)
    圖一、安裝在福衛五號的先進電離層探測儀。

     
    現為配合第三期國家太空科技發展長程計畫 (2019-2028),中大在2020年合併大氣科學學系太空組和太空科學與工程研究所碩士班與博士班,成立國內首創之太空科學與工程學系(含學士班、碩士班、博士班一般組及博士班產學組)。藉由過去累積50年的太空科學教育和研究基礎,再加上30年的太空工程能力,在現階段選定全力發展科學酬載與立方衛星,希望能擴散太空研究效益、培育太空科技人才、建立台灣太空產業鏈,與第三期的目標相互輝映。


    太空科學固然可滿足人類的好奇心,累積太空環境的知識。但在科研經費下滑的情況下,會侷限研究成果與面向。再者就業市場有限,很難吸引優秀的人才投入。目前全世界還是以太空天氣 (Space Weather) 為主要的發展方向與重心,可涵蓋太陽、行星際空間、磁層、電離層、高層大氣等日地環境。太空天氣會影響地球氣候、電力輸送系統運作、全球定位系統偏差、高頻電波通訊中斷、衛星通訊干擾、減低衛星運行壽命等,影響太空或地面基礎設施,甚至危害人類生活或健康。以臺灣目前迫切需要發展的低軌通訊衛星與未來因應自駕車與自駕飛機的導航需求為例,可藉由發展電離層與水氣區域模式,精準評估低軌通訊衛星的鏈路分析 (Link Budget),將可通訊時間最大化。或是有效評估導航誤差,獲得精準且可靠的導航資訊。由於通訊載波頻率在10 GHz 以下,則必須考量電離層電波閃爍 (Radio Wave Scintillation) 現象。通訊載波頻率在10 GHz以上,則必須考慮大氣的水氣吸收導致通訊失效。此外,太空監測與追蹤 (Space Surveillance and Tracking) 也將越來越重要。目前在低地軌道有更多的衛星環繞,衛星與太空碎片遲早會造成太空或地面的損失。利用現有或升級的地面雷達,全天候監控運作與除役的衛星與太空碎片。除了可估算衛星遭受碰撞的可能,運載火箭的入軌安全問題,也可預警掉入臺灣區域的太空廢棄物,將會是未來太空產業發展的重要課題之一。無論是太空監測與追蹤,或是先前提到的太空天氣,將來都是發展太空形勢認知 (Space Situational Awareness) 的重要課題。


    太空工程可藉由研製科學酬載,提升太空科學的研究層次。福衛五號科學酬載的成功,便吸引國內外各立方衛星任務團隊(INSPIRESat-1, IDEASSat, ARCADE, SCION-X等)競相使用國產的科學酬載-小型電離層探測儀(Compact Ionospheric Probe,見圖二)。透過執行衛星科學任務,證明學術界具有解決實務問題的能力。近年立方衛星興起,已證明太空產業不見得一定得由國家級機構或是巨型國防與太空工業承包商才能主導。即使在有限的經費支持下,學術界仍可透過立方衛星培育新一代的科學與工程兼備的跨領域領導人才。未來將以科學酬載推動立方衛星任務,發展能符合科學酬載需求的立方衛星。增加學生實作的機會,培育太空科技人才。

     
     
    fig2 (4)

    圖二、安裝在INSPIRE系列立方衛星的小型電離層探測儀。

     
    然而我們也必須清楚知道,光靠滿足政府科研需求,是不足以在臺灣開創太空產業。政府的投資有限,太空產業要能獲利,才能吸引民間資金投入。政府主要是提供探空火箭、福衛系列衛星、低軌通訊衛星、立方衛星入軌的機會,協助國內產業獲得太空飛行履歷後,才能提升附加價值進軍國際太空產業供應鏈。未來中大太空系將責無旁貸,協助推動台灣的太空產業。提供太空產業諮詢與人員培訓服務、協助太空環境測試、執行太空任務,最終幫助廠商完備飛行履歷,獲得進入國際太空產業供應鏈的敲門磚。


    本文作者:趙吉光   國立中央大學太空科學與工程學系 副教授

     
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