知識大圖解：離子推進器如何推動太空船

本文與 美商德州博藝社科技 HEART 合作，泛科學企劃執行。

提到台灣令人焦慮的交通，多數人會想到都市裡的壅塞車潮，但真正致命的「塞車」，其實正悄悄發生在我們體內的動脈之中。

這場無聲的危機，主角是被稱為「壞膽固醇」的低密度脂蛋白（ Low-Density Lipoprotein，簡稱 LDL ）。它原本是血液中運送膽固醇的貨車角色，但當 LDL 顆粒數量失控，卻會開始在血管壁上「違規堆積」，讓「生命幹道」的血管日益狹窄，進而引發心肌梗塞或腦中風等嚴重後果。

科學家們還發現一個令人困惑的現象：即使 LDL 數值「看起來很漂亮」，心血管疾病卻依然找上門來！這究竟是怎麼一回事？沿用數十年的健康標準是否早已不敷使用？

膽固醇的「好壞」之分：一場體內的攻防戰

膽固醇是否越少越好？答案是否定的。事實上，我們體內攜帶膽固醇的脂蛋白主要分為兩種：高密度脂蛋白（High-Density Lipoprotein，簡稱 HDL）和低密度脂蛋白（ LDL ）。

想像一下您的血管是一條高速公路。HDL 就像是「清潔車隊」，負責將壞膽固醇（ LDL ）運來的多餘油脂垃圾清走。而 LDL 則像是在血管裡亂丟垃圾的「破壞者」。如果您的 HDL 清潔車隊數量太少，清不過來，垃圾便會堆積如山，最終導致血管堵塞，甚至引發心臟病或中風。

因此，過去數十年來，醫生建議男性 HDL 數值至少應達到 40 mg/dL，女性則需更高，達到 50 mg/dL（ mg/dL 是健檢報告上的標準單位，代表每 100 毫升血液中膽固醇的毫克數）。女性的標準較嚴格，是因為更年期後]pacg心血管保護力會大幅下降，需要更多的「清道夫」來維持血管健康。

相對地，LDL 則建議控制在 130 mg/dL 以下，以減緩垃圾堆積的速度。總膽固醇的理想數值則應控制在 200 mg/dL 以內。這些看似枯燥的數字，實則反映了體內一場血管清潔隊與垃圾山之間的攻防戰。

那麼，為何同為脂蛋白，HDL 被稱為「好」的，而 LDL 卻是「壞」的呢？這並非簡單的貼標籤。我們吃下肚或肝臟製造的脂肪，會透過血液運送到全身，這些在血液中流動的脂肪即為「血脂」，主要成分包含三酸甘油酯和膽固醇。三酸甘油酯是身體儲存能量的重要形式，而膽固醇更是細胞膜、荷爾蒙、維生素D和膽汁不可或缺的原料。

這些血脂對身體運作至關重要，本身並非有害物質。然而，由於脂質是油溶性的，無法直接在血液裡自由流動。因此，在血管或淋巴管裡，脂質需要跟「載脂蛋白」這種特殊的蛋白質結合，變成可以親近水的「脂蛋白」，才能順利在全身循環運輸。

肝臟是生產這些「運輸用蛋白質」的主要工廠，製造出多種蛋白質來運載脂肪。其中，低密度脂蛋白載運大量膽固醇，將其精準送往各組織器官。這也是為什麼低密度脂蛋白膽固醇的縮寫是 LDL-C (全稱是 Low-Density Lipoprotein Cholesterol )。

當血液中 LDL-C 過高時，部分 LDL 可能會被「氧化」變質。這些變質或過量的 LDL 容易在血管壁上引發一連串發炎反應，最終形成粥狀硬化斑塊，導致血管阻塞。因此，LDL-C 被冠上「壞膽固醇」的稱號，因為它與心腦血管疾病的風險密切相關。

高密度脂蛋白（HDL） 則恰好相反。其組成近半為蛋白質，膽固醇比例較少，因此有許多「空位」可供載運。HDL-C 就像血管裡的「清道夫」，負責清除血管壁上多餘的膽固醇，並將其運回肝臟代謝處理。正因為如此，HDL-C 被視為「好膽固醇」。

過去數十年來，醫學界主流觀點認為 LDL-C 越低越好。許多降血脂藥物，如史他汀類（Statins）以及近年發展的 PCSK9 抑制劑，其主要目標皆是降低血液中的 LDL-C 濃度。

然而，科學家們在臨床上發現，儘管許多人的 LDL-C 數值控制得很好，甚至很低，卻仍舊發生中風或心肌梗塞！難道我們對膽固醇的認知，一開始就抓錯了重點？

傳統判讀失準？LDL-C 達標仍難逃心血管危機

早在 2009 年，美國心臟協會與加州大學洛杉磯分校（UCLA）進行了一項大型的回溯性研究。研究團隊分析了 2000 年至 2006 年間，全美超過 13 萬名心臟病住院患者的數據，並記錄了他們入院時的血脂數值。

結果發現，在那些沒有心血管疾病或糖尿病史的患者中，竟有高達 72.1% 的人，其入院時的 LDL-C 數值低於當時建議的 130 mg/dL「安全標準」！即使對於已有心臟病史的患者，也有半數人的 LDL-C 數值低於 100 mg/dL。

這項研究明確指出，依照當時的指引標準，絕大多數首次心臟病發作的患者，其 LDL-C 數值其實都在「可接受範圍」內。這意味著，單純依賴 LDL-C 數值，並無法有效預防心臟病發作。

科學家們為此感到相當棘手。傳統僅檢測 LDL-C 總量的方式，可能就像只計算路上有多少貨車，卻沒有注意到有些貨車的「駕駛行為」其實非常危險一樣，沒辦法完全揪出真正的問題根源！因此，科學家們決定進一步深入檢視這些「駕駛」，找出誰才是真正的麻煩製造者。

LDL 家族的「頭號戰犯」：L5 型低密度脂蛋白

為了精準揪出 LDL 裡，誰才是最危險的分子，科學家們投入大量心力。他們發現，LDL 這個「壞膽固醇」家族並非均質，其成員有大小、密度之分，甚至帶有不同的電荷，如同各式型號的貨車與脾性各異的「駕駛」。

早在 1979 年，已有科學家提出某些帶有較強「負電性」的 LDL 分子可能與動脈粥狀硬化有關。這些帶負電的 LDL 就像特別容易「黏」在血管壁上的頑固污漬。

台灣留美科學家陳珠璜教授、楊朝諭教授及其團隊在這方面取得突破性的貢獻。他們利用一種叫做「陰離子交換層析法」的精密技術，像是用一個特殊的「電荷篩子」，依照 LDL 粒子所帶負電荷的多寡，成功將 LDL 分離成 L1 到 L5 五個主要的亞群。其中 L1 帶負電荷最少，相對溫和；而 L5 則帶有最多負電荷，電負性最強，最容易在血管中暴衝的「路怒症駕駛」。

2003 年，陳教授團隊首次從心肌梗塞患者血液中，分離並確認了 L5 的存在。他們後續多年的研究進一步證實，在急性心肌梗塞或糖尿病等高風險族群的血液中，L5 的濃度會顯著升高。

L5 的蛋白質結構很不一樣，不僅天生帶有超強負電性，還可能與其他不同的蛋白質結合，或經過「醣基化」修飾，就像在自己外面額外裝上了一些醣類分子。這些特殊的結構和性質，使 L5 成為血管中的「頭號戰犯」。

當 L5 出現時，它並非僅僅路過，而是會直接「搞破壞」：首先，L5 會直接損傷內皮細胞，讓細胞凋亡，甚至讓血管壁的通透性增加，如同在血管壁上鑿洞。接著，L5 會刺激血管壁產生發炎反應。血管壁受傷、發炎後，血液中的免疫細胞便會前來「救災」。

然而，這些免疫細胞在吞噬過多包括 L5 在內的壞東西後，會堆積在血管壁上，逐漸形成硬化斑塊，使血管日益狹窄，這便是我們常聽到的「動脈粥狀硬化」。若這些不穩定的斑塊破裂，可能引發急性血栓，直接堵死血管！若發生在供應心臟血液的冠狀動脈，就會造成心肌梗塞；若發生在腦部血管，則會導致腦中風。

L5：心血管風險評估新指標

現在，我們已明確指出 L5 才是 LDL 家族中真正的「破壞之王」。因此，是時候調整我們對膽固醇數值的看法了。現在，除了關注 LDL-C 的「總量」，我們更應該留意血液中 L5 佔所有 LDL 的「百分比」，即 L5%。

陳珠璜教授也將這項 L5 檢測觀念，從世界知名的德州心臟中心帶回台灣，並創辦了美商德州博藝社科技（HEART）。HEART 在台灣研發出嶄新科技，並在美國、歐盟、英國、加拿大、台灣取得專利許可，日本也正在申請中，希望能讓更多台灣民眾受惠於這項更精準的檢測服務。

一般來說，如果您的 L5% 數值小於 2%，通常代表心血管風險較低。但若 L5% 大於 5%，您就屬於高風險族群，建議進一步進行影像學檢查。特別是當 L5% 大於 8% 時，務必提高警覺，這可能預示著心血管疾病即將發作，或已在悄悄進展中。

對於已有心肌梗塞或中風病史的患者，定期監測 L5% 更是評估疾病復發風險的重要指標。此外，糖尿病、高血壓、高血脂、代謝症候群，以及長期吸菸者，L5% 檢測也能提供額外且有價值的風險評估參考。

隨著醫療科技逐步邁向「精準醫療」的時代，無論是癌症還是心血管疾病的防治，都不再只是單純依賴傳統的身高、體重等指標，而是進一步透過更精密的生物標記，例如特定的蛋白質或代謝物，來更準確地捕捉疾病發生前的徵兆。

您是否曾檢測過 L5% 數值，或是對這項新興的健康指標感到好奇呢？

• 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。

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。

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。

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。

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。

2. 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。

3. 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。

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

• Biden-Harris Administration Extends Space Station Operations Through 2030
• Spacewalkers Complete Multi-Year Station Battery Upgrades | NASA
• International Space Station Facts and Figures | NASA
• Visiting Vehicle Launches, Arrivals and Departures | NASA
• NASA Selects Companies to Develop Commercial Destinations in Space | NASA
• Commercial LEO Destinations (CLD) | NASA
• Three Winners for Commercial LEO Destinations Awards – SpacePolicyOnline.com
• How 20 Years of Life On The ISS Began With Expedition One
• The Story of How NASA Went From Space Shuttles To SpaceX & Commercial Rockets
• Every Spacecraft Which Has Visited The Space Station
• NASA & Axiom Space Designing Commercial Expansion Of Space Station
• Axiom Commercial Space Station（內有已建成的艙段零件照片）
• 輕鬆認識太空運載火箭
• 【貨運太空船系列】COTS 與 CRS
• 太空站故障 NASA 緊急進行太空漫步

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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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。

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。

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。

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。

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。

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

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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