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寰宇韜略

【寰宇韜略】肆應威脅 美強化太空發射力(中)

◎邱榮守(譯)

(接上文)

 商業太空架構和趨勢

 跟國家安全相關的太空系統一樣,由大型、昂貴且精密衛星組成之相對規模較小的衛星系統,也在商業太空架構中占據主導地位。透過比較現役各類商業衛星的總重量,即可看出此現象,因為衛星重量與複雜度、成本密切相關。UCS衛星資料庫顯示,目前在軌道上約800枚商業衛星中,絕大多數屬小型衛星,但是其重量卻只占現役所有商業衛星總重量的5%。

 相較之下,大型、重型和超重型衛星雖不到現役商業衛星總數的1/4,但約占商業衛星總質量的61%。剩餘1/4的現役商業衛星屬於中型和中級類別,占商業衛星總質量的35%。

 商業領域愈來愈偏好使用小型衛星。儘管就美元價值和能力而言,大型、複雜且價格昂貴的衛星繼續主導商業衛星市場,但小型衛星也在商業市場上取得重大進展,從2012年到2017年,每年送入軌道的小衛星數量,從大約70枚增加到380枚。

 這些小型商業衛星部署數量增長,不只反映其具備更大的發展潛力,也為部署更大規模的衛星系統提供良機。最早利用此商機的公司之一,就是Planet(以前稱為Planet Labs)。2014年,該公司開始部署Dove CubeSat光學成像衛星系統,每顆衛星重量只有4公斤,到2015年底,整個系統達100枚衛星規模,現在則已增至175枚。

 低地球軌道(LEO)衛星體系可提供3至5公尺範圍內的全球覆蓋範圍和解析度。最近,BlackSky Global開發光學影像衛星,計畫部署由60枚衛星組成的衛星系統,其中6枚已在2017年底前進入軌道。最雄心勃勃的小型商業衛星項目中,OneWeb計畫與空中巴士公司合資部署大規模的小型衛星系統,提供全球網際網路寬頻服務。當前計畫是由720枚OneWeb衛星組成的系統,每枚衛星重量約為150公斤、成本在50萬至100萬美元間。該系統2019年初開始部署,2020年開始服務,並預計在2027年前全面運作。SpaceX提出一個更大的網際網路衛星星座,計畫部署由4425枚衛星組成的系統,最終將擴展到多達12000枚衛星。

 根據一項行業預測,在2018年至2030年之間,將有多達11600枚小衛星(重量低於500公斤衛星)進入軌道,平均每年將近1000枚,這凸顯商業太空市場重大轉變,朝向小型衛星建立大規模衛星體系發展。

 科技產品小型化 影響軍民用裝備

 近數十年來科技進步,最大影響就是各種科技產品小型化,並對全球軍民用裝備產生重大影響,無論是消費電子產品、通信設備、感測器與電腦等領域都因此受益,今筆記型電腦與智慧型手機的處理能力,甚至已超越數十年前充滿整個機房的大型電腦。

 自1960年代中期以來,製造電晶體的成本,每年平均下降20%至30%。由於這種下降和相關科技領域的成長趨勢,使得電腦和其他電子設備的尺寸和成本不僅大幅下降,性能更大幅提高。

 商業和軍事衛星也不例外,其受到機械系統、電池、感測器等零組件,以及新一代電腦影響,持續朝小型化方向快速發展,但大型衛星也同樣受益,因為設計與製造者能將讓同樣體積與重量的衛星,配備更多更強大性能,這也讓衛星出現2種演化模式,維持固定性能規格,但縮小衛星體積與重量;或是維持衛星體積與重量,但提升每枚衛星性能,對市場而言,後者較常成為客戶的頭號選項。

 發射成本高昂 成主要挑戰

 受到小型發射載具的舉升效率限制,導致部署小型衛星的發射成本居高不下,成為其主要挑戰。目前中型發射載具的設計規格,是將大約2000至20000公斤範圍的有效酬載運送到低地球軌道(LEO),重型發射載具則能運送20000 至50000公斤範圍的有效酬載,而超重型發射載具可以運送超過50000公斤的酬載。

 假設有效酬載能力得到充分運用,美國中型和重型太空發射載具,將有效酬載運送到LEO中,每公斤成本約為5000至18000美元。相比之下,現有小型美國太空發射載具,對LEO的有效酬載能力達2000公斤,每公斤舉升成本約在30000至100000美元間。這意味著,對於大型、複雜且昂貴衛星(使用中型或重型發射載具送入軌道)的發射成本,占全壽期成本比例相對較小,而小型、相對廉價衛星的發射成本,則高得令人望而卻步。

 正因此成本考量,在所有其他條件維持不變時,所有客戶都會傾向將採用發射成本相對較少量,但本體大且昂貴的衛星,而不是選擇以大量小型衛星組成大規模衛星體系。由於小型發射載具的費用高昂,目前大多數小型衛星常是在中型或重型發射載具發射大型衛星時的「次級酬載」,但這種發射方式的顯著缺點是,無論發射時間、使用軌道與部署方式,都必須遷就主要酬載的大型衛星。

 由於當前使用中型和重型發射載具,是讓小型衛星發射成本「保持在可接受範圍」的唯一方法,因此發射時一口氣部署多枚衛星就成其主要手段。如OneWeb計畫就是以發射21枚俄國聯盟號中型發射載具,每枚載具將運送34至36枚OneWeb衛星進入軌道。不過,這並不適用於以少量小型衛星建立的衛星系統,且無法在小型衛星故障時,利用中型以上的發射載具進行替換。(待續)  

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