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知識大圖解:離子推進器如何推動太空船

知識大圖解_96
・2015/01/13 ・760字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 496 ・六年級

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實現科幻小說裡的神奇科技

離子推進器的研究始於1950年代,當時NASA的格蘭研究中心(Glenn Research Center)率先為火箭設計離子推進器。

離子推進系統透過陰極管把電子送到推進器裡。原本就帶負電的電子在放電腔裡與推進劑(通常是惰性氣體氙)接觸,再被強力電磁鐵所吸引。自由電子碰到推進劑裡的中性原子時,氙會分裂成兩個帶負電的電子和一個帶正電的離子。

離子會被拉進離子光學系統裡,也就是包含數千個同軸孔的電極。靠近出口的那端帶負電,靠近火箭的那端帶正電。帶正電的離子會流向帶負電的那一端,壓縮並形成離子流。離子流從推進器末端噴出,提供推動火箭所需的動力。

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為了讓推進系統整體維持在既非正電也非負電的情況,一條稱為中和器(neutraliser)的陰極管會把帶負電的電子打進離子流。電子與帶正電的離子混合在一起,使排出的廢氣保持中性。

離子推進器最大的好處是推動火箭的速度比化學推進器快了許多。已退役的太空梭極速是每小時2萬8000公里,離子推進器可讓極速達到每小時32萬2000公里!

遺憾的是,離子推進器的缺點是推力很小,只能製造0.5牛頓的力(0.1磅),差不多等於手裡拿著10枚新台幣五圓銅板。因此加速極度緩慢,不過可持續很長的時間。

更持久、更有力、更快速

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離子推進器的兩大好處是續航力與推動火箭的速度都超越以往。

NASA的氙離子推進器(Evolutionary Xenon Thruster,簡稱NEXT)是全球最先進的推進器之一。它在一場供能時間的實驗中持續運作4萬8000小時,長達五年半以上。

實驗過程中,NEXT推進器只用了870公斤燃料,還不到傳統推進器的十分之一,後者消耗的燃料是1萬公斤。

減輕重量可使小型太空船也能執行太空任務,或是讓大型太空船進行時間超越以往的長期任務。

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本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第04期(2015年1月號)
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解密機器人如何學會思考、觸摸與變形
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/09/09 ・6820字 ・閱讀時間約 14 分鐘

本文與 Perplexity 合作,泛科學企劃執行

「Hello. I am… a robot.」

在我們的記憶裡,機器人的聲音就該是冰冷、單調,不帶一絲情感 。它們的動作僵硬,肢體不協調,像一個沒有靈魂的傀儡,甚至啟發我們創造了機械舞來模仿那獨特的笨拙可愛。但是,現今的機器人發展不再只會跳舞或模仿人聲,而是已經能獨立完成一場膽囊切除手術。

就在2025年,美國一間實驗室發表了一項成果:一台名為「SRT-H」的機器人(階層式手術機器人Transformer),在沒有人類醫師介入的情況下,成功自主完成了一場完整的豬膽囊切除手術。SRT-H 正是靠著從錯誤中學習的能力,最終在八個不同的離體膽囊上,達成了 100% 的自主手術成功率。

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這項成就的意義重大,因為過去機器人手術的自動化,大多集中在像是縫合這樣的單一「任務」上。然而,這一場完整的手術,是一個包含數十個步驟、需要連貫策略與動態調整的複雜「程序」。這是機器人首次在包含 17 個步驟的完整膽囊切除術中,實現了「步驟層次的自主性」。

這就引出了一個讓我們既興奮又不安的核心問題:我們究竟錯過了什麼?機器人是如何在我們看不見的角落,悄悄完成了從「機械傀儡」到「外科醫生」的驚人演化?

這趟思想探險,將為你解密 SRT-H 以及其他五款同樣具備革命性突破的機器人。你將看到,它們正以前所未有的方式,發展出生物般的觸覺、理解複雜指令、學會團隊合作,甚至開始自我修復與演化,成為一種真正的「準生命體」 。

所以,你準備好迎接這個機器人的新紀元了嗎?

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只靠模仿還不夠?手術機器人還需要學會「犯錯」與「糾正」

那麼,SRT-H 這位機器人的外科大腦,究竟藏著什麼秘密?答案就在它創新的「階層式框架」設計裡 。

你可以想像,SRT-H 的腦中,住著一個分工明確的兩人團隊,就像是漫畫界的傳奇師徒—黑傑克與皮諾可 。

  • 第一位,是動口不動手的總指揮「黑傑克」: 它不下達具體的動作指令,而是在更高維度的「語言空間」中進行策略規劃 。它發出的命令,是像「抓住膽管」或「放置止血夾」這樣的高層次任務指令 。
  • 第二位,是靈巧的助手「皮諾可」: 它負責接收黑傑克的語言指令,並將這些抽象的命令,轉化為機器手臂毫釐不差的精準運動軌跡 。

但最厲害的還不是這個分工,而是它們的學習方式。SRT-H 研究團隊收集了 17 個小時、共 16,000 條由人類專家操作示範的軌跡數據來訓練它 。但這還只是開始,研究人員在訓練過程中,會刻意讓它犯錯,並向它示範如何從抓取失敗、角度不佳等糟糕的狀態中恢復過來 。這種獨特的訓練方法,被稱為「糾正性示範」 。

SRT-H 研究團隊收集了 17 個小時、共 16,000 條由人類專家操作示範的軌跡數據來訓練它 。 / 圖片來源:shutterstock

這項訓練,讓 SRT-H 學會了一項外科手術中最關鍵的技能:當它發現執行搞砸了,它能即時識別偏差,並發出如「重試抓取」或「向左調整」等「糾正性指令」 。這套內建的錯誤恢復機制至關重要。當研究人員拿掉這個糾正能力後,機器人在遇到困難時,要不是完全失敗,就是陷入無效的重複行為中 。

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正是靠著這種從錯誤中學習、自我修正的能力,SRT-H 最終在八次不同的手術中,達成了 100% 的自主手術成功率 。

SRT-H 證明了機器人開始學會「思考」與「糾錯」。但一個聰明的大腦,足以應付更混亂、更無法預測的真實世界嗎?例如在亞馬遜的倉庫裡,機器人不只需要思考,更需要實際「會做事」。

要能精準地與環境互動,光靠視覺或聽覺是不夠的。為了讓機器人能直接接觸並處理日常生活中各式各樣的物體,它就必須擁有生物般的「觸覺」能力。

解密 Vulcan 如何學會「觸摸」

讓我們把場景切換到亞馬遜的物流中心。過去,這裡的倉儲機器人(如 Kiva 系統)就像放大版的掃地機器人,核心行動邏輯是極力「避免」與周遭環境發生任何物理接觸,只負責搬運整個貨架,再由人類員工挑出包裹。

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但 2025 年5月,亞馬遜展示了他們最新的觸覺機器人 Vulcan。在亞馬遜的物流中心裡,商品被存放在由彈性帶固定的織物儲物格中,而 Vulcan 的任務是必須主動接觸、甚至「撥開」彈性織網,再從堆放雜亂的儲物格中,精準取出單一包裹,且不能造成任何損壞。

2025 年5月,亞馬遜展示了他們最新的觸覺機器人 Vulcan / 圖片引用:https://www.aboutamazon.com/news

Vulcan 的核心突破,就在於它在「拿取」這個動作上,學會了生物般的「觸覺」。它靈活的機械手臂末端工具(EOAT, End-Of-Arm Tool),不僅配備了攝影機,還搭載了能測量六個自由度的力與力矩感測器。六個自由度包含上下、左右、前後的推力,和三個維度的旋轉力矩。這就像你的手指,裡頭分布著非常多的受器,不只能感測壓力、還能感受物體橫向拉扯、運動等感觸。

EOAT 也擁有相同精確的「觸覺」,能夠在用力過大之前即時調整力道。這讓 Vulcan 能感知推動一個枕頭和一個硬紙盒所需的力量不同,從而動態調整行為,避免損壞貨物。

其實,這更接近我們人類與世界互動的真實方式。當你想拿起桌上的一枚硬幣時,你的大腦並不會先計算出精準的空間座標。實際上,你會先把手伸到大概的位置,讓指尖輕觸桌面,再沿著桌面滑動,直到「感覺」到硬幣的邊緣,最後才根據觸覺決定何時彎曲手指、要用多大的力量抓起這枚硬幣。Vulcan 正是在學習這種「視覺+觸覺」的混合策略,先用攝影機判斷大致的空間,再用觸覺回饋完成最後精細的操作。

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靠著這項能力,Vulcan 已經能處理亞馬遜倉庫中約 75% 的品項,並被優先部署來處理最高和最低層的貨架——這些位置是最容易導致人類員工職業傷害的位置。這也讓自動化的意義,從單純的「替代人力」,轉向了更具建設性的「增強人力」。

SRT-H 在手術室中展現了「專家級的腦」,Vulcan 在倉庫中演化出「專家級的手」。但你發現了嗎?它們都還是「專家」,一個只會開刀,一個只會揀貨。雖然這種「專家型」設計能有效規模化、解決痛點並降低成本,但機器人的終極目標,是像人類一樣成為「通才」,讓單一機器人,能在人類環境中執行多種不同任務。

如何教一台機器人「舉一反三」?

你問,機器人能成為像我們一樣的「通才」嗎?過去不行,但現在,這個目標可能很快就會實現了。這正是 NVIDIA 的 GR00T 和 Google DeepMind 的 RT-X 等專案的核心目標。

過去,我們教機器人只會一個指令、一個動作。但現在,科學家們換了一種全新的教學思路:停止教機器人完整的「任務」,而是開始教它們基礎的「技能基元」(skill primitives),這就像是動作的模組。

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例如,有負責走路的「移動」(Locomotion) 基元,和負責抓取的「操作」(Manipulation) 基元。AI 模型會透過強化學習 (Reinforcement Learning) 等方法,學習如何組合這些「技能基元」來達成新目標。

舉個例子,當 AI 接收到「從冰箱拿一罐汽水給我」這個新任務時,它會自動將其拆解為一系列已知技能的組合:首先「移動」到冰箱前、接著「操作」抓住把手、拉開門、掃描罐子、抓住罐子、取出罐子。AI T 正在學會如何將這些單一的技能「融合」在一起。有了這樣的基礎後,就可以開始來大量訓練。

當多重宇宙的機器人合體練功:通用 AI 的誕生

好,既然要學,那就要練習。但這些機器人要去哪裡獲得足夠的練習機會?總不能直接去你家廚房實習吧。答案是:它們在數位世界裡練習

NVIDIA 的 Isaac Sim 等平台,能創造出照片級真實感、物理上精確的模擬環境,讓 AI 可以在一天之內,進行相當於數千小時的練習,獨自刷副本升級。這種從「模擬到現實」(sim-to-real)的訓練管線,正是讓訓練這些複雜的通用模型變得可行的關鍵。

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DeepMind 的 RT-X 計畫還發現了一個驚人的現象:用來自多種「不同類型」機器人的數據,去訓練一個單一的 AI 模型,會讓這個模型在「所有」機器人上表現得更好。這被稱為「正向轉移」(positive transfer)。當 RT-1-X 模型用混合數據訓練後,它在任何單一機器人上的成功率,比只用該機器人自身數據訓練的模型平均提高了 50%。

這就像是多重宇宙的自己各自練功後,經驗值合併,讓本體瞬間變強了。這意味著 AI 正在學習關於物理、物體特性和任務結構的抽象概念,這些概念獨立於它所控制的特定身體。

AI 正在學習關於物理、物體特性和任務結構的抽象概念,這些概念獨立於它所控制的特定身體。/ 圖片來源:shutterstock

不再是工程師,而是「父母」: AI 的新學習模式

這也導向了一個科幻的未來:或許未來可能存在一個中央「機器人大腦」,它可以下載到各種不同的身體裡,並即時適應新硬體。

這種學習方式,也從根本上改變了我們與機器人的互動模式。我們不再是逐行編寫程式碼的工程師,而是更像透過「示範」與「糾正」來教導孩子的父母。

NVIDIA 的 GR00T 模型,正是透過一個「數據金字塔」來進行訓練的:

  • 金字塔底層: 是大量的人類影片。
  • 金字塔中層: 是海量的模擬數據(即我們提過的「數位世界」練習)。
  • 金字塔頂層: 才是最珍貴、真實的機器人操作數據。

這種模式,大大降低了「教導」機器人新技能的門檻,讓機器人技術變得更容易規模化與客製化。

當機器人不再是「一個」物體,而是「任何」物體?

我們一路看到了機器人如何學會思考、觸摸,甚至舉一反三。但這一切,都建立在一個前提上:它們的物理形態是固定的。

但,如果連這個前提都可以被打破呢?這代表機器人的定義不再是固定的形態,而是可變的功能:它能改變身體來適應任何挑戰,不再是一台單一的機器,而是一個能根據任務隨選變化的物理有機體。

有不少團隊在爭奪這個機器人領域的聖杯,其中瑞士洛桑聯邦理工學院特別具有代表性,該學院的仿生機器人實驗室(Bioinspired Robotics Group, BIRG)2007 年就打造模組化自重構機器人 Roombots。

有不少團隊在爭奪這個機器人領域的聖杯,其中瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)特別具有代表性。該學院的仿生機器人實驗室(BIRG)在 2007 年就已打造出模組化自重構機器人 Roombots。而 2023 年,來自 EPFL 的另一個實驗室——可重組機器人工程實驗室(RRL),更進一步推出了 Mori3,這是一套把摺紙藝術和電腦圖學巧妙融合的模組化機器人系統。

2023 年來自 EPFL 的另一個實驗室—可重組機器人工程實驗室(RRL)推出了 Mori3 © 2023 Christoph Belke, EPFL RRL

Mori3 的核心,是一個個小小的三角形模組。別看它簡單,每個模組都是一個獨立的機器人,有自己的電源、馬達、感測器和處理器,能獨立行動,也能和其他模組合作。最厲害的是,它的三條邊可以自由伸縮,讓這個小模組本身就具備「變形」能力。

當許多 Mori3 模組連接在一起時,就能像一群活的拼圖一樣,從平面展開,組合成各種三維結構。研究團隊將這種設計稱為「物理多邊形網格化」。在電腦圖學裡,我們熟悉的 3D 模型,其實就是由許多多邊形(通常是三角形)拼湊成的網格。Mori3 的創新之處,就是把這種純粹的數位抽象,真正搬到了現實世界,讓模組們化身成能活動的「實體網格」。

這代表什麼?團隊已經展示了三種能力:

  • 移動:他們用十個模組能組合成一個四足結構,它能從平坦的二維狀態站立起來,並開始行走。這不只是結構變形,而是真正的協調運動。
  • 操縱: 五個模組組合成一條機械臂,撿起物體,甚至透過末端模組的伸縮來擴大工作範圍。
  • 互動: 模組們能形成一個可隨時變形的三維曲面,即時追蹤使用者的手勢,把手的動作轉換成實體表面的起伏,等於做出了一個會「活」的觸控介面。

這些展示,不只是實驗室裡的炫技,而是真實證明了「物理多邊形網格化」的潛力:它不僅能構建靜態的結構,還能創造具備複雜動作的動態系統。而且,同一批模組就能在不同情境下切換角色。

想像一個地震後的救援場景:救援隊帶來的不是一台笨重的挖土機,而是一群這樣的模組。它們首先組合成一條長長的「蛇」形機器人,鑽入瓦礫縫隙;一旦進入開闊地後,再重組成一隻多足的「蜘蛛」,以便在不平的地面上穩定行走;發現受困者時,一部分模組分離出來形成「支架」撐住搖搖欲墜的橫樑,另一部分則組合成「夾爪」遞送飲水。這就是以任務為導向的自我演化。

這項技術的終極願景,正是科幻中的概念:可程式化物質(Programmable Matter),或稱「黏土電子學」(Claytronics)。想像一桶「東西」,你可以命令它變成任何你需要的工具:一支扳手、一張椅子,或是一座臨時的橋樑。

未來,我們只需設計一個通用的、可重構的「系統」,它就能即時創造出任務所需的特定機器人。這將複雜性從實體硬體轉移到了規劃重構的軟體上,是一個從硬體定義的世界,走向軟體定義的物理世界的轉變。

更重要的是,因為模組可以隨意分開與聚集,損壞時也只要替換掉部分零件就好。足以展現出未來機器人的適應性、自我修復與集體行為。當一群模組協作時,它就像一個超個體,如同蟻群築橋。至此,「機器」與「有機體」的定義,也將開始動搖。

從「實體探索」到「數位代理」

我們一路見證了機器人如何從單一的傀儡,演化為學會思考的外科醫生 (SRT-H)、學會觸摸的倉儲專家 (Vulcan)、學會舉一反三的通才 (GR00T),甚至是能自我重構成任何形態的「可程式化物質」(Mori3)。

但隨著機器人技術的飛速發展,一個全新的挑戰也隨之而來:在一個 AI 也能生成影像的時代,我們如何分辨「真實的突破」與「虛假的奇觀」?

舉一個近期的案例:2025 年 2 月,一則影片在網路上流傳,顯示一台人形機器人與兩名人類選手進行羽毛球比賽,並且輕鬆擊敗了人類。我的第一反應是懷疑:這太誇張了,一定是 AI 合成的影片吧?但,該怎麼驗證呢?答案是:用魔法打敗魔法。

在眾多 AI 工具中,Perplexity 特別擅長資料驗證。例如這則羽球影片的內容貼給 Perplexity,它馬上就告訴我:該影片已被查證為數位合成或剪輯。但它並未就此打住,而是進一步提供了「真正」在羽球場上有所突破的機器人—來自瑞士 ETH Zurich 團隊的 ANYmal-D

接著,選擇「研究模式」,就能深入了解 ANYmal-D 的詳細原理。原來,真正的羽球機器人根本不是「人形」,而是一台具備三自由度關節的「四足」機器人。

如果你想更深入了解,Perplexity 的「實驗室」功能,還能直接生成一份包含圖表、照片與引用來源的完整圖文報告。它不只介紹了 ANYmal-D 在羽球上的應用,更詳細介紹了瑞士聯邦理工學院發展四足機器人的完整歷史:為何選擇四足?如何精進硬體與感測器結構?以及除了運動領域外,四足機器人如何在關鍵的工業領域中真正創造價值。

AI 代理人:數位世界的新物種

從開刀、揀貨、打球,到虛擬練功,這些都是機器人正在學習「幫我們做」的事。但接下來,機器人將獲得更強的「探索」能力,幫我們做那些我們自己做不到的事。

這就像是,傳統網路瀏覽器與 Perplexity 的 Comet 瀏覽器之間的差別。Comet 瀏覽器擁有自主探索跟決策能力,它就像是數位世界裡的機器人,能成為我們的「代理人」(Agent)

它的核心功能,就是拆解過去需要我們手動完成的多步驟工作流,提供「專業代工」,並直接交付成果。

例如,你可以直接對它說:「閱讀這封會議郵件,檢查我的行事曆跟代辦事項,然後草擬一封回信。」或是直接下達一個複雜的指令:「幫我訂 Blue Origin 的太空旅遊座位,記得要來回票。」

接著,你只要兩手一攤,Perplexity 就會接管你的瀏覽器,分析需求、執行步驟、最後給你結果。你再也不用自己一步步手動搜尋,或是在不同網站上重複操作。

AI 代理人正在幫我們探索險惡的數位網路,而實體機器人,則在幫我們前往真實的物理絕境。

立即點擊專屬連結 https://perplexity.sng.link/A6awk/k74… 試用 Perplexity吧! 現在申辦台灣大哥大月付 599(以上) 方案,還可以獲得 1 年免費 Perplexity Pro plan 喔!(價值 新台幣6,750)

◆Perplexity 使用實驗室功能對 ANYmal-D 與團隊的全面分析 https://drive.google.com/file/d/1NM97…

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國際太空站與它的繼承者們——淺談近地軌道商業服務的歷史
EASY天文地科小站_96
・2022/02/17 ・3898字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 文/林彥興|EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生,努力在陰溝中仰望繁星

2021 年底,美國政府宣布再次延長國際太空站(ISS)的服役年限,讓它繼續運作到 2030 年,續寫這座人類史上最大人造衛星的傳奇。與此同時,NASA 的「商業近地軌道太空站」(Commercial Leo Destinations, CLD)也正如火如荼地展開,旨在創造多元而蓬勃的近地軌道經濟圈。

舉世唯一的微重力實驗室:國際太空站

國際太空站絕對夠格問鼎當代最偉大的工程奇蹟之一。由美國、俄羅斯、日本、歐洲與加拿大共同打造,ISS 的質量約 450 公噸,大小相當於一座美式足球場,是歷史上最大最重的人造衛星,二十多年來以約 7.6 km/s 的高速,在 400 多公里高的近地軌道上繞行地球。太空站上常駐約 7 名左右的太空人,負責維護太空站的運作,並且在這獨一無二的微重力環境下,進行各式各樣的科學研究。

2021 年 12 月 9 日,從載人版天龍號太空船(Crew Dragon)拍攝的國際太空站。圖/NASA Johnson

這樣一個龐然大物,世界上沒有任何一款火箭有辦法一次就把它送上軌道。因此 ISS 的建造,是一次一個地把艙段發射到軌道上,然後讓它在茫茫太空中,精準地與之前發射的其他艙段對接,像拼樂高一樣,一步一步地把整個太空站組裝起來。從 1998 年到 2011 年,多國團隊一共花了 13 年的時間、31 次發射,才完成 ISS 的建造。

國際太空站從 1998 至 2011 的主要組裝過程縮時。整體而言 ISS 自 2011 之後並沒有太多大規模的改動,但仍有新增新的艙段(如 BEAM、Nauka、Prichal)、更換電池(如 HTV-6 帶上去的鋰離子電池)與太陽能板(如 iROSA)等設備。影/YouTube

然而,光是「建造」太空站是不夠的,為了維持太空站的運作,太空站上必須要有太空人常駐,因此每隔幾個月,多國團隊就得發射載人任務,把新一批太空人送上太空站,並讓前一批太空站上的太空人返回地球。同時,為確保這些太空人能在太空正常生活,它們還得更頻繁地發射無人貨運太空船,為太空人帶來食物、水、維修零件等資源。

截至 2021 年底,已發射了超過 66 批「遠征隊」(expeditions)輪班駐守 ISS,並且發射 144 趟無人貨運任務。每一趟任務背後,都要耗費數億美金的火箭發射成本,及數百噸的火箭推進劑。再加上太空人的訓練、基礎設施建造、早期的研究與試驗、多國間的協調合作……等等,這個計畫的規模之宏大可見一斑。

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自由市場的力量:商業補給與運載服務

國際太空站的建造與運作是如此的昂貴,即使是全世界資源最豐富的太空機構:NASA,要長年維持它的運作也顯得力不從心。

其中一個重要的原因,在於 NASA 當年用於運補國際太空站的主力——太空梭(STS)。太空梭不僅操作危險,成本也非常昂貴。面對這種情況,NASA 想到:「也許我們可以從最簡單運送補給物資開始,培養一批民間太空公司,等它們的成長茁壯之後,就可以把這些「日常瑣事」外包出去給它們做。」

在自由市場的競爭壓力下,這些民間太空公司自然會拚命地找出效率最高的辦法達成目標。如此一來,NASA 省了錢,又培育了國內的航太科技實力,豈不是一舉兩得?

於是,2006 年,NASA 啟動了「商業軌道運輸服務」(COTS)計畫,讓民間太空公司在 NASA 專業人員的幫助之下,自行設計一套火箭與太空船參與競爭。

每達到一個 NASA 設定的里程碑,就可以拿到相當可觀的資助,進行下一階段的開發,由此一步一步地完成整套系統的開發。經過激烈的競爭,最終由老牌太空公司「軌道科學」(Orbital Science)與當時的新創太空公司 SpaceX 奪下勝利,取得「商業補給服務」(CRS)合約。時至今日,雙方的「天鵝座」(Cygnus)與「天龍號」(Dragon)系列貨運太空船,仍是補給國際太空站的主力。

SpaceX 的 Cargo Dragon 2 太空船(左)與 NG 的 Cygnus 太空船(右)是如今 ISS 補給任務的兩大主力。嚴格來說,這兩艘太空船和其搭配的火箭已經改良多次,與 2008 年奪得 CRS 合約時的設計早已大不相同。Orbital Science 在 2015 年與 Alliant Techsystems 合併為 Orbital ATK,又在 2018 年被諾斯洛普.格魯曼(NG)買下。科技產品與市場環境的高速變化,有時候實在是讓筆者很難一句話把事情講清楚。圖/NASANASA

有了 CRS 的成功經驗,NASA 決定打鐵趁熱,在 2011 年啟動「商業載人服務」(CCP),讓商業太空公司負責難度更高的載人太空飛行任務。

經過多年競爭,這次脫穎而出奪得合約的是 SpaceX 與波音兩家公司。然而,命途多舛的波音「CST-100 星際航線」(Starliner)太空船頻頻發生問題,至今(2022 年 2 月)仍未成功執行任務。另一邊,SpaceX 的「載人版天龍號太空船 Crew Dragon」太空船則相對順利得多,不僅已經 4 度成功把太空人送上 ISS,更將 Crew Dragon 用於太空旅遊,在「靈感 4 號」(Inspiration 4)任務中讓 4 位民間太空人體會了 3 天的軌道飛行,並且未來還會執行更多類似任務。讓我們看到這些為政府機構打造的太空船,其實有著巨大的商業潛力。

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朝陽下,裝載於獵鷹九號火箭頂端等待發射的 Crew Dragon。圖/SpaceX
比起太空梭等上個世紀設計的太空船,Crew Dragon 的控制面板採用大面積的觸控螢幕,整體設計簡約而現代。圖/SpaceX

商業近地軌道太空站:打造蓬勃的近地軌道經濟圈

時光飛逝,歲月如梭,國際太空站轉眼間已經服役超過 20 年。整體而言,太空站的狀態還算良好,但是大大小小的故障仍時有耳聞。因此,即使美國政府宣布讓 ISS 持續服役到 2030 年,尋找國際太空站的接班人仍是刻不容緩。

對此,NASA 故技重施,啟動了「商業近地軌道太空站」(Commercial Leo Destinations, CLD)計畫。這次不只運貨、載人,而是要讓商業太空公司自行設計、建造與運營商業太空站。經過第一階段的評選,目前有 3 組團隊獲選,它們分別是:

  1. Orbital Reef,此為藍色起源(Blue Origin)與內華達太空公司(Sierra Space)、波音、Redwire Space、Genesis Engineering Solutions 等多家公司組成的聯合團隊所提出的方案。它擁有大直徑的艙段、大直徑的對接口,能夠支持 6 名太空人的生活,無論是技術或是商業規劃上都相當有野心。
  1. Starlab,此為 Nanoracks、Voyager Space 和洛克希德·馬丁(Lockheed Martin)組成的聯合團隊提出的方案,特色是使用了一個巨大的充氣式艙段,讓整座太空站只需發射一次就能進入軌道,不需要多次發射再對接。
  1. 第三個是諾斯洛普.格魯曼提出的太空站計畫,不過它目前還沒有一個閃亮的名字。相較於上述 2 項方案,諾斯洛普的計畫就顯得相當中規中矩。它們使用了大量現成的技術以降低開發風險,避免計畫延宕,但就顯得缺乏亮點,商業計畫也相對不被 NASA 看好。

最後,當廠商們的技術發展成熟(預計是在 2025 年以後),NASA 就會從指導者變成客戶,付錢購買廠商們的服務。除了角逐 CLD 計畫的 3 個團隊之外,還有另一組人馬——Axiom Space,也是商業太空站大賽的選手之一。比起剛剛起步的 CLD 三家,Axiom Space 不僅已經拿到 NASA 的合約,而且太空站怎麼建造也都已經有了相當完整的規劃。若進展順利,應該會成為第一個成功入軌的商業太空站。

Axiom Space 的太空站建造動畫。多個艙段將首先被安裝在 ISS 上,直到最後整個太空站建成之後,再脫離成為獨立的商業太空站。影/Axiom Space

蓬勃發展的近地軌道經濟圈

國際太空站是 21 世紀初人類的太空技術結晶,是世界各國耗時 13 年、斥資上千億美金完成的偉大工程。然而時過境遷,這座龐然大物逐漸顯露疲態。值得慶幸的是,得益於 15 年來商業太空領域的高速發展,民間太空公司已經一步步掌握火箭、貨運、載人太空船,乃至於太空站的開發與運營技術,讓太空不再是政府機關的專利,也讓 ISS 不怕後繼無人。

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隨著資源與人力的不斷投入,一個生機勃勃的近地軌道經濟圈,也許並沒有我們想像的那麼遙遠!

參考資料與延伸閱讀

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「新太空 2.0」時代來臨!盤點新創太空產業的衛星部署手段
黃 正中_96
・2021/09/26 ・3448字 ・閱讀時間約 7 分鐘

近年來以美國為首,國際上民營新創太空產業如雨後春筍,以新技術、新概念吸引風險投資,挑戰傳統太空產業,稱為新太空(NewSpace)2.0。

新太空的新創公司通常規模比較小,為了增加競爭力,常以併購或合資的方式,加速產業成長;所涵蓋的範圍包括火箭、小型衛星或衛星元件等領域,以價格破壞性經營,加強與傳統太空產業的競爭。

本文將分析量產的衛星精確部署到太空軌道,提高太空任務的新功能與價值;並盤點在此潮流下創新技術,和新創的太空產業。

論「快速量產衛星」的必要

新創航太公司為了更貼近市場需求,創新衛星量產技術、使用商用(COTS)元件,快速切入市場,提高產品附加價值的新衛星功能。例如使用微衛星以每小時拍攝一次地球上任何地點,並快速提供詳細圖像;使用衛星連接地面上廣大地區,構建太空網路;或者利用衛星開採小行星高價值的稀有礦物等等。

新創衛星公司所使用商用零件,設計小型或立方衛星,儘管它們的尺寸很小,但可以共同提供功能和服務,卻比傳統衛星更大、數據產品媲美大衛星。量產衛星優點是可以一次發射許多衛星,發射費用比傳統的大衛星便宜得多,但是缺點是,設計 / 任務壽命較短。

最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)

新創公司為了發堀利基市場,開發最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)1。一旦建立了 MVP 衛星,新創公司再進行優化調整。MVP 為了減輕重量,加快生產速度,設計時忽略了部分功能,如推進次系統(Propulsion Subsystem)、部分姿態控制(AOCS)或沒有備份設計(backup design)等等,以便快速進入市場。

美國的 Planet Labs 公司 180 顆遙測照相衛星,Spire Global 公司 110 顆氣象服務衛星公司,或挪威的 Iceye 公司 10 顆透過雲層對地球照相的合成孔徑雷達小型衛星等等,證明 MVP 可以在很少的預算下,製造和發射衛星到太空,並傳送數據返回地球。

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美國 Planet Labs 公司的 Dove satellites。圖/Planet Labs 臉書

快速量產的代價——衛星損壞率高

但是,利用商用航電元件快速製造,在太空高輻射的環境,可能面臨高衛星損壞率,例如新創 Planet Labs 公司 2設計和製造著名的 Doves Triple- CubeSat 微型衛星,2015 年創立後發射了 339 顆 3U 高解析度的 Dove 遙測立方衛星,但是 2021 年 8 月只剩下約 180 顆衛星運作中。

另外的案例 Spire Global 公司從太空觀測雲數據和分析,提高了天氣模型的預測能力。自創建以來,已發射了 140 多顆衛星,目前有 110 顆 3U 立方氣象衛星星系營運中。

SpaceX 的 Starlink 太空網路公司3,到 2021 年 9 月 14 日為止,已經發射了 1791 顆低軌通訊衛星,統計有 125 顆衛星故障或離開太空返回地球,目前太空網路擁有 1615 顆低軌衛星建構太空網路,所以新太空的高衛星損壞率,令人印象深刻。

搭公車上太空,立方衛星「以量取勝」

大量微小或立方衛星搭乘所謂的「公車火箭」到太空,若是衛星計畫經費較多,可以搭乘單個火箭進入太空。但是大部分的計劃在預算限制下,搭乘「公車火箭」到達軌道後,整“群”離開火箭,微小 / 立方衛星以一種相當不受控制的方式繞地球漂移。

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福爾摩沙衛星七號衛星搭乘火箭。圖/科技部臉書

這種「下車」方式,對於遙測照像任務,「打群架」方法是有效的,但不是最佳的方式,每顆衛星都可以拍照並發送下來,但個別衛星可能會聚集在一起,從而照相送回多餘的圖像。

對於通信衛星架構,「打群架」是沒有經濟價值的,因為在不受控制的衛星群體,只能隨機覆蓋地表,對於地面用戶來說,無法定時收到監控資料,也無法忍受隨時斷訊的通訊。

新創公司的決勝關鍵:更精確的太空軌道部署

為了增加小衛星任務所產生的產品價值,未來更精確的軌道部署,將會產生革命性的決勝關鍵,每顆衛星將被更仔細、周到地放置到精確的軌道上,使整個星系的價值,大於各自執行任務的總和。

更精確的軌道部署將成為任務規劃中首要考量,當雜亂無章的群轉變成精心編排的星系,其中均勻分佈的小衛星以優化其覆蓋範圍和數據價值時,小衛星架構的價值將得到充分體現。

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優化「衛星系」的兩種辦法

有兩種實現衛星系(Constellation)優化的方法,第一種是單獨發射小衛星,或者一次發射兩到三個在特殊的小型火箭上發射,這些火箭可以「隨時隨地」運送航太器,眾多的小型火箭新創公司 Rocket Lab 和 Vector Space Systems 等,瞄準此新市場,計劃將小型衛星運送到低軌太空。

這種方法存在兩個挑戰,可能無法使其適用於所有星系。首先,大型星系需要大量發射,即使每週發射一枚火箭,完全部署一個星系也可能需要數月甚至數年的時間,其次發射費用按公斤計算,總經費也不便宜。

優化星系的第二種方法是為每個小衛星配備機載推進次系統,許多衛星可以共用火箭發射,例如由 SpaceX 的 Falcon 9 或 Falcon Heavy 等發射器的低每公斤成本發射,離開火箭以後就需要耗費自身燃料,抵達任務軌道。儘管所有飛行器都將成群離開火箭,但它們可以使用各自的推進系統分散到預先選擇的各個軌道中,以優化星系均勻性。

這種方法的好處是可以利用機載推進系統提供額外的任務價值,例如通過補償阻力來延長任務壽命,重新配置星系以彌補發射失誤,或在壽命結束時使衛星脫離軌道,減少太空垃圾,但是燃料使用過多,減少任務壽命卻也無可奈何。

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獵鷹 9 號將 60 顆 Starlink 衛星送入軌道。圖/SpaceX

成本太高?新型「微推進系統」問世

新太空 2.0 的新創公司,有許多小衛星沒有包含推進次系統,主要是因為技術還不夠成熟,而且成本太高,無法納入 MVP。精確部署衛星所需的推進系統成本,市場上推進系統大部分是手工建造的,對於新創公司無法負擔。設計、開發和製造過程,還沒有發展到大規模生產。

但市場對於大量製造的機載推進系統需求強大,針對此問題,美國 Orbion Space Technology 以及 ExoTerra Resources 新創公司推出霍爾效應推進器(Aurora Hall-effect thruster),以及 Tethers Unlimited、Deep Space Industries 和 Momentus 公司,亦推出水離子推進器(Water Plasma propulsion),水離子推進裝置,進入太空小型推進器的市場。

水離子推進器。圖/參考資料 5

沒錢裝推進系統?你需要的是「太空運輸」服務

針對為了節省燃料以提高壽命,以及沒有配備星載推進系統的立方 / 微衛星,美國新創太空運輸的 Momentus 公司,推出離開火箭以後,在太空將立方 / 微衛星或其他小型衛星,在太空中運輸到所需任務軌道。

義大利的 D-Orbit 公司今年(2021)5 月部署了 20 顆義大利 ION 衛星,成功示範可以改變高度和傾角的太空運輸。D-Orbit 公司並計劃於今年(2021)10 月為 Planet SuperDove 公司在太空「最後一英里的太空運輸」服務,運輸 12 顆地球遙測衛星。

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但是你可知道「最後一里路」要走多久?

以我國的福爾摩沙七號衛星星系為例,衛星設計有星載的推進系統和攜帶燃料,用來調整衛星在太空的飛行軌道;福衛七號的六顆衛星於2019年6月25日發射升空,離開獵鷹九號火箭以後,總共花了 20 個月逐漸調整軌道,才將六枚衛星的軌道面布置,形成在地球上空以 60、120、180、240、300度的夾角,涵蓋全球的氣象觀測衛星星系部署。

新太空 2.0 時代來臨!將顛覆傳統衛星公司

新太空(NewSpace)2.0 顛覆甚至於威脅到傳統衛星公司,例如 Intelsat 同步軌道通信衛星公司因過時或更高的價格使他們無法與低成本寬頻通訊競爭導致破產4,同樣的澳洲衛星通訊公司 Speedcast 和為航空公司和船舶提供 Wi-Fi 服務的 Global Eagle 公司與 Intelsat 公司一樣也都負債累累。

新太空快速的行業變化,也影響了衛星地面部分;例如衛星天線製造商 Phasor 在被新創 Kymeta 用更高效率覆蓋整個 Ku 頻段衛星天線公司淘汰而申請破產。去年 OneWeb 的破產困境源於缺乏靈活性,讓 SpaceX 競爭對手以超越其技術而破產。

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因此新太空的來臨,太空產業需著重技術創新,適應快速市場變遷,隨時關注市場的變化與趨勢。對於一個創新技術競爭的衛星新創參與者,摩爾定律將主導創新和開發新市場。

參考資料

  1. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  2. 〈Wikipedia〉Planet_Labs  
  3. 〈Wikipedia〉Starlink
  4. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  5. Water propulsion technologies picking up steam
  6. Satellite bankruptcies circa 2000 vs. 2020: We’ve come a long way!me-a-long-way
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黃 正中_96
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國家實驗研究院國家太空中心研究員。勿忘對科學研究的熱情,勇敢築夢,實現夢想…...

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知識大圖解:離子推進器如何推動太空船
知識大圖解_96
・2015/01/13 ・760字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 496 ・六年級

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實現科幻小說裡的神奇科技

離子推進器的研究始於1950年代,當時NASA的格蘭研究中心(Glenn Research Center)率先為火箭設計離子推進器。

離子推進系統透過陰極管把電子送到推進器裡。原本就帶負電的電子在放電腔裡與推進劑(通常是惰性氣體氙)接觸,再被強力電磁鐵所吸引。自由電子碰到推進劑裡的中性原子時,氙會分裂成兩個帶負電的電子和一個帶正電的離子。

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離子會被拉進離子光學系統裡,也就是包含數千個同軸孔的電極。靠近出口的那端帶負電,靠近火箭的那端帶正電。帶正電的離子會流向帶負電的那一端,壓縮並形成離子流。離子流從推進器末端噴出,提供推動火箭所需的動力。

為了讓推進系統整體維持在既非正電也非負電的情況,一條稱為中和器(neutraliser)的陰極管會把帶負電的電子打進離子流。電子與帶正電的離子混合在一起,使排出的廢氣保持中性。

離子推進器最大的好處是推動火箭的速度比化學推進器快了許多。已退役的太空梭極速是每小時2萬8000公里,離子推進器可讓極速達到每小時32萬2000公里!

遺憾的是,離子推進器的缺點是推力很小,只能製造0.5牛頓的力(0.1磅),差不多等於手裡拿著10枚新台幣五圓銅板。因此加速極度緩慢,不過可持續很長的時間。

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更持久、更有力、更快速

離子推進器的兩大好處是續航力與推動火箭的速度都超越以往。

NASA的氙離子推進器(Evolutionary Xenon Thruster,簡稱NEXT)是全球最先進的推進器之一。它在一場供能時間的實驗中持續運作4萬8000小時,長達五年半以上。

實驗過程中,NEXT推進器只用了870公斤燃料,還不到傳統推進器的十分之一,後者消耗的燃料是1萬公斤。

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減輕重量可使小型太空船也能執行太空任務,或是讓大型太空船進行時間超越以往的長期任務。

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第04期(2015年1月號)
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