王志強博士2022年中推出的第二代星鏈（Starlink）衛星，本體長度為7公尺，重量1,250公斤為第一代的5倍重。第二代的設計規格考慮到SpaceX新的發射系統「星艦號」（Starship）直徑為9公尺，長度7公尺的衞星剛好可以躺平、疊放在艙內的衞星發射架上。本文還是從第二代Starlink衛星的火箭發射談起：火箭發射第一代Starlink與台灣的福衛五號衛星，都是由「獵鷹9號」（Falcon 9）發射到低軌道– Falcon 9的第一節火箭（Booster）使用9具Merlin液態火箭。載運第二代Starlink衛星的「星艦號」（Starship）所使用的「超重型火箭」（Super Heavy Booster, B7）安裝33具SpaceX自行研發的「猛禽引擎」（Raptor）（註一）。 大部分的液態火箭的燃料是採用精煉煤油RP1，優點是常溫下為液態、容易儲存，缺點是燃燒後產生「焦化污漬」（Coking）。因為過去大部分的火箭是一次性使用，所以焦化不是問題，但是如果需要重複使用火箭引擎，清理引擎上的「焦化污漬」會是個頭痛的問題。SpaceX的「獵鷹九號」（Falcon 9）使用的Merlin 火箭引擎就是使用RP1為燃料，每次回收後都需要花上數週的時間做清理。為了避免coking的問題，有些液態引擎採用液化氫為燃料（例如如太空梭主引擎），SpaceX則採用「液態甲烷」（就是液化天然氣CH4），猛禽引擎使用CH4為燃料也是前所未有的創舉。附帶一提，Blue Origin開發的BE4引擎也採用甲烷為燃料。天然氣燃燒後沒有焦化的問題，這個優點使得快速清理Starship上的33具火箭引擎成為可能。第一代Starlink衛星Starlink最初的服務對象設定在沒有基地台的偏遠地區，或是海洋中的船艦及空中飛行的飛機–要達到這個目標，Starlink衞星之間必需要能夠「互相傳訊溝通」（inter-satellite communication）。第一代Starlink衛星並沒有這項功能，當時是依靠建立地面站來解決信號傳輸問題：除了在使用者自家安裝19吋圓盤或20 x 12吋方盤天線外，還得靠附近的「地面接收站」（Ground Station），以及電信營運商既有的地面光纖網路。一般一個400平方公尺圍籬的地面接收站設有9個直徑2.86公尺的雷達天線（參見下圖）。 以美國為例，共有32個「地面接收站」（Gateways），每一個接收站方圓800公里（500哩）的用戶，利用自家平盤天線，經由通過上空的䘙星和鄰近的地面接收站連接；換句話說，地面接收站和自家天線必需鎖住同一顆衞星，因為第一代Starlink衞星之間沒有互相溝通的功能。用戶上傳或下載的訊號都需要透過現有的地面/海底的光纖網路傳輸，再依賴靠近住家附近（800公里內）地面接收站的Ka-band電磁波，傳送到正在通過上空的某顆Starlink衞星，這顆Starlink衛星再將訊號傳到用戶的天線上，這也是為什麼在海洋上沒有Starlink網路的原因。第二代Starlink衛星Starlink衛星從第1.5代就開始就有inter-satellite communication 的能力，第二代Starlink衛星（註二）間通訊是利用雷射光作訊號傳輸（Laser Inter Satellite Link；LISLs）；光在太空中傳播速度要比在光纖上更快，大約快30%，在真空中以光速直接傳輸，比起經由地面站、透過光纖網路，信號延遲可降低50%，而且由於當前技術可以有效控制雷射光束精度，更可以大大的增加通訊頻寬。第二代Starlink衛星在2022年中已經出現，它的功能比第一代至少增強5倍。第一代與第二代同樣使用四片「相控陣列天線」（Phased Array Antenna）（註三），其中兩片用來跟「地面站」（Gateways）連繫，另兩片用來跟地面用戶連繋的。Starship可運載150公噸荷載到「近地軌道」（LEO），一次可運載110~120顆第二代Starlink衛星。這個數目的衞星剛好可以一次佈滿一個軌道面，而「星鏈星座」（Starlink Constellation）在53度傾角，550km高度的「殼層」共有72個軌道面。根據SpaceX說法，當第二代Starlink衛星開始量產，再加上Starship的巨大運載能力，第二代Starlink衛星的成本將會比前一代更低，可以預期前一代的Starlink衛星會被淘汰，獵鷹9號的Starlink發射任務也將終止。看完本系列的三篇文章，讀者是否可以看出Musk要在低軌道建立起6G通訊網路的商業版圖？ 台灣廠商曾經幫助Tesla開創出電動汽車市場，「星鏈計畫」所衍生的龐大商機，不正是台灣ICT產業的強項，台灣廠商又怎能缺席！註一：SpaceX的「猛禽引擎」（Raptor）註二：「星鏈計劃」（Starlink）現況註三：星鏈（Starlink）相控陣列天線

Elon Musk的核心商業理念著重在：「垂直整合」（Vertical Integration）、降低營運成本、持續改良，將這套核心商業理念應用到太空事業，就不難理解為什麼SpaceX會從開發液態火箭引擎起步。火箭發射發展太空事業的三大重點就是：LV、LV、LV – LV就是「火箭發射器」（Launch Vehicle；LV） 。沒有「火箭發射器」（LV），設計再好的衛星都無法進入太空軌道；如果委託火箭發射營運商代為發射，衛星的總營運成本（Total Cost）就無法降低，難以具備市場競爭力。Musk看明白這一點，亞馬遜（Amazon）創辦人Jeff Bezos也明白這一點，所以Musk的SpaceX與Bezos的Blue Origin，都從開發自家使用的液態火箭引擎起步。在SpaceX與Blue Origin成功開發出火箭前，世界上的火箭多半是傾國家之力開發，例如中國的長征火箭（註一）、法國的亞利安（Ariane）火箭（註二）、以及俄國的聯合號（Soyuz）火箭（註三）。火箭引擎Musk要創造出「價格負擔得起」（affordable）的火箭，就必須降低成本 – 非必要的零組件不使用軍規，儘可能採用現成的商規成品，再加上模組化的軟體，可重複使用的硬體（即火箭回收），從而建立起一套「垂直整合」（Vertical Integration）的創新商業模式。SpaceX發展的第一枚火箭Falcon 1是兩節的單引擎液態火箭，總共投資將近一億美元；經歷三次發射失敗，SpaceX幾乎破產，終於在第四次才發射成功。Falcon火箭的靈魂就是SpaceX自行開發的液態火箭引擎Merlin，使用的燃料是從煤油精煉出來的RP1噴射機燃油，氧化劑則是低溫液態氧。Merlin 液態火箭引擎經不斷地改良，現在已經進入第四代。為求增加火箭總體運載能力，SpaceX開發出「獵鷹九號」（Falcon 9）– 「9」代表Falcon 9的第一節推進火箭（Booster）有9具Merlin液態火箭引擎，第二節火箭僅使用Merlin單引擎；這十具火箭引擎由三組獨立又互相監控的電腦系統控制，達到三重安全保障。Falcon 9 的起飛推力，大約等於12架波音787客機的推力總和。 SpaceX應用「垂直起降技術」（Vertical Take Off and Landing；VTOL），成為火箭VTOL回收的始祖，第一節火箭在海拔100公里左右脱離，它會自動返航降落在指定的陸地定點、或是外海的無人平台上；第二節火箭回收不符合經濟效益，因為第二節火箭的分離速度約為第一節火箭的4倍，而且離開發射點已經很遙遠。按照據Musk的說法，Falcon 9 的大部分組件可重複使用100次，目前火箭回收已超過十數次，這種紀錄在十多年前是難以想像的。火箭與衛星第一代（v1 、v1.5）Starlink衛星的重量約為250公斤，每顆衛星造價25萬美元，由SpaceX「獵鷹9號」自行發射、分批次運送到440公里高度的低軌道上，連同發射費用每顆衞星總成本約60萬美元。第二代Starlink衛星在2022年中就已經出現，衛星本體長度為7公尺，重量1,250公斤為第一代的5倍重。第二代的設計規格考慮到SpaceX新的發射系統「星艦號」（Starship）直徑為9公尺，長度7公尺的衞星剛好可以躺平、疊放在艙內的衞星發射架上，Starship前端有一窗口，可以把衛星像提款卡一樣、一片一片的推入軌道（參見下圖）。 Starlink衛星發射超過3,000顆（計劃發射42,000顆），衛星設計就已經從第一代進入第二代，重量從250公斤增加5倍，發射系統從Falcon 9改為Starship（為登陸火星設計）– 這一切舉措都非常符合Musk「持續改良」的核心商業理念。福衛五號台灣的「福衞五號衛星」在2017年8月25日就是搭乘Falcon 9火箭，從美國加州范登堡空軍基地升空，進入720公里高度的「太陽同步軌道」（Sun Synchronous Orbit），相較於「地球同步軌道」（GSO）的高度約為36,000 公里。 台灣國家太空中心（NSPO）利用「福衞五號衛星」為發展平台（註四），與國內產業界及研究單位合作發展遙測衛星關鍵元件，包括指令與資料管理單元（CDMU）、電力控制與分配單元（PCDU）、飛行軟體（Flight Software）、遙測酬載電子單元（RSI EU）、CMOS型聚焦面組合（CMOS Type FPA）等五項。下一篇會繼續介紹「星鏈計畫」（Starlink）現況（註五），包括2022年推出的第二代Starlink衛星及所衍生的商機。註一：長征系列運載火箭（維基百科） 註二：亞利安火箭（維基百科）註三：聯合系列運載火箭（維基百科）註四：福爾摩沙衛星五號註五：「星鏈計畫」（Starlink）現況

王志強博士談低軌道衛星商機前，必須先瞭解Elon Musk是如何起家，他的商業模式以及星鏈計畫（Starlink）版圖全貌為何。Elon Musk起家Musk從電子商務支付系統PayPal賺得創業第一桶金，再以eBay在2002年以15億美元買下PayPal的資金，設立SpaceX以及其他幾家新創公司，其中包括生產電動車的Tesla。Tesla能夠成功打開電動汽車市場，供應高達75%零件（註一）的台灣廠商居功厥偉，例如馬達動力系統（富田電機、和大、中鋼）、車電系統（和碩、台積電、亞光、同欣電）等。商業模式Musk的太空事業版圖是，提供衞星發射服務開始，SpaceX的核心商業理念在於：實現「垂直整合」（Vertical Integration），提供一條龍服務，降低營運成本，並持續改良演變 。SpaceX從開發「獵鷹九號」（Falcon 9）液態火箭引擎（註二）起步，逐步進入通信衛星產業星鏈計畫（註三）。 亞馬遜（Amazon）創辦人Jeff Bezos的Blue Origin所推出Kuiper衞星計畫（註四），與SpaceX的星鏈計畫（Starlink）的商業模式如出一轍。星鏈計畫在星鏈計畫（Starlink）進入衛星通信市場前，HughesNet 和Viasat是兩家比較著名的全球「寬帶衞星網路」（Broadband Satellite Network）營運商 – HughesNet有20多顆衛星，Viasat也有6顆衛星，上述兩家公司的衛星全都分布在「地球同步軌道」（Geosynchronous Orbit；GEO）。一般GEO通信衞星都放置在飛行高度達36,000公里的GEO軌道上，好處是涵蓋面積廣，壞處則是信號傳輸距離遠，會造成顯著的「信號延遲」（latency）；平均延遲時間約為100至300「毫秒」（ms）。一般來說，視訊串流（video streaming）與電子遊戲是無法接受100~300「毫秒」（ms）的信號延遲。造成通信信號延遲的原因不只一種，本文所提到的延遲主要是因為距離所造成的「信號傳播」（propagation）延遲。一般而言，手機的cellular信號延遲小於5毫秒，而衞星通訊信號延遲往往超過100毫秒，主要是因為地球同步衛星離地面太遠、而且頻寬較小。並不是世界上每個角落都設有基地台，所以在偏遠地區，以及一些第三世界國家沒有「網格網路」（cellular）的基礎建設，最便捷的通訊設備還是得靠衞星通訊。低軌道衛星通信Musk看準了這個商機，計劃逐步在「地球低軌道」（Low Earth Orbit；LEO）發射4.2萬顆小衞星，佈建出一個低軌道通信衛星網（參見上圖）。低軌道通信衛星網共分為三層：底層在340公里、中層為550公里、上層在1,110公里左右，目的就是要將信號延遲數字降低到25毫秒以下。在Starlink加入衛星通信戰局前，全球發射的軌道衞星總數累計為12,480顆，目前大約只有4,900顆還在運作。Starlink目前已經發射超過3,000顆衛星到低軌道，Starlink能夠快速佈置低軌道衛星，就是靠SpaceX的火箭發射能力 。「獵鷹九號」（Falcon 9）火箭一次能運載60顆250公斤的小衞星到低軌道；Falcon Heavy甚至可以一次運送245顆衛星；而SpaceX的衞星製造工廠每個月可生產約120顆衛星。Starlink Internet目前的服務地區，侷限於美國高緯度地區及加拿大、英國、丹麥、比利時、法國、德國、荷蘭、澳洲及紐西蘭等地，估計到2023年底才能完整覆蓋全球各國。在俄烏戰爭中，Musk對烏克蘭無償提供Starlink衛星通信服務，不得不承認他不僅是經營長才、科技天才，更是位市場行銷高手。星鏈計畫難道只是瞄準沒有「網格網路」（cellular）基礎建設的偏遠地區與第三世界國家？當然不是，所以台灣廠商需要洞悉星鏈計畫的商業版圖全貌。下一篇會繼續為讀者介紹SapceX火箭發射器、Starlink衛星本體、用戶端天線與相控陣列天線的演變及所衍生的商機。附註一：電動車產業卡位戰 特斯拉75%零件MIT （Yahoo 新聞） 附註二：漫談太空旅行（四）附註三：馬斯克的「星鏈計畫」（Starlink）附註四：不讓馬斯克專美於前！亞馬遜旗下Kuiper計劃明年發射首批低軌衛星，劍指SpaceX「星鏈計畫」 作者王志強博士曾任美國麥道太空系統公司（MDSSC）空氣動力學專家，1992年加入台翔航太（TAC）協助民航機產業發展；曾歷任安達信 企業戰略經理，中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達營銷高階主管、林肯電氣合資公司廣泰執行副總、美世顧問台灣區總經理、上海佳格營運長等。