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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。

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

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。

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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知識大圖解_96
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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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

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  • 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。

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。

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。

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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EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事

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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

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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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
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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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。

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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