王志强博士2022年中推出的第二代星链（Starlink）卫星，本体长度为7米，重量1,250公斤为第一代的5倍重。第二代的设计规格考虑到SpaceX新的发射系统「星舰号」（Starship）直径为9米，长度7米的衞星刚好可以躺平、叠放在舱内的衞星发射架上。本文还是从第二代Starlink卫星的火箭发射谈起：火箭发射第一代Starlink与台湾的福卫五号卫星，都是由「猎鹰9号」（Falcon 9）发射到低轨道– Falcon 9的第一节火箭（Booster）使用9具Merlin液态火箭。载运第二代Starlink卫星的「星舰号」（Starship）所使用的「超重型火箭」（Super Heavy Booster, B7）安装33具SpaceX自行研发的「猛禽引擎」（Raptor）（注一）。 大部分的液态火箭的燃料是采用精炼煤油RP1，优点是常温下为液态、容易储存，缺点是燃烧后产生「焦化污渍」（Coking）。因为过去大部分的火箭是一次性使用，所以焦化不是问题，但是如果需要重复使用火箭引擎，清理引擎上的「焦化污渍」会是个头痛的问题。SpaceX的「猎鹰九号」（Falcon 9）使用的Merlin 火箭引擎就是使用RP1为燃料，每次回收后都需要花上数周的时间做清理。为了避免coking的问题，有些液态引擎采用液化氢为燃料（例如如太空梭主引擎），SpaceX则采用「液态甲烷」（就是液化天然气CH4），猛禽引擎使用CH4为燃料也是前所未有的创举。附带一提，Blue Origin开发的BE4引擎也采用甲烷为燃料。天然气燃烧后没有焦化的问题，这个优点使得快速清理Starship上的33具火箭引擎成为可能。第一代Starlink卫星Starlink最初的服务对象设定在没有基站的偏远地区，或是海洋中的船舰及空中飞行的飞机–要达到这个目标，Starlink衞星之间必需要能够「互相传讯沟通」（inter-satellite communication）。第一代Starlink卫星并没有这项功能，当时是依靠建立地面站来解决信号传输问题：除了在使用者自家安装19寸圆盘或20 x 12寸方盘天线外，还得靠附近的「地面接收站」（Ground Station），以及电信营运商既有的地面光纤网络。一般一个400平方米围篱的地面接收站设有9个直径2.86米的雷达天线（参见下图）。 以美国为例，共有32个「地面接收站」（Gateways），每一个接收站方圆800公里（500里）的用户，利用自家平盘天线，经由通过上空的䘙星和邻近的地面接收站连接；换句话说，地面接收站和自家天线必需锁住同一颗衞星，因为第一代Starlink衞星之间没有互相沟通的功能。用户上传或下载的信号都需要透过现有的地面/海底的光纤网络传输，再依赖靠近住家附近（800公里内）地面接收站的Ka-band电磁波，传送到正在通过上空的某颗Starlink衞星，这颗Starlink卫星再将信号传到用户的天在线，这也是为什麽在海洋上没有Starlink网络的原因。第二代Starlink卫星Starlink卫星从第1.5代就开始就有inter-satellite communication 的能力，第二代Starlink卫星（注二）间通讯是利用雷射光作信号传输（Laser Inter Satellite Link；LISLs）；光在太空中传播速度要比在光纤上更快，大约快30%，在真空中以光速直接传输，比起经由地面站、透过光纤网络，信号延迟可降低50%，而且由于当前技术可以有效控制雷射光束精度，更可以大大的增加通讯带宽。第二代Starlink卫星在2022年中已经出现，它的功能比第一代至少增强5倍。第一代与第二代同样使用四片「相控阵列天线」（Phased Array Antenna）（注三），其中两片用来跟「地面站」（Gateways）连系，另两片用来跟地面用户连繋的。Starship可运载150公吨荷载到「近地轨道」（LEO），一次可运载110~120颗第二代Starlink卫星。这个数目的衞星刚好可以一次布满一个轨道面，而「星链星座」（Starlink Constellation）在53度倾角，550km高度的「壳层」共有72个轨道面。根据SpaceX说法，当第二代Starlink卫星开始量产，再加上Starship的巨大运载能力，第二代Starlink卫星的成本将会比前一代更低，可以预期前一代的Starlink卫星会被淘汰，猎鹰9号的Starlink发射任务也将终止。看完本系列的三篇文章，读者是否可以看出Musk要在低轨道建立起6G通讯网络的商业版图？ 台湾厂商曾经帮助Tesla开创出电动汽车市场，「星链计划」所衍生的庞大商机，不正是台湾ICT产业的强项，台湾厂商又怎能缺席！注一：SpaceX的「猛禽引擎」（Raptor）注二：「星链计划」（Starlink）现况注三：星链（Starlink）相控阵列天线

Elon Musk的核心商业理念着重在：「垂直整合」（Vertical Integration）、降低营运成本、持续改良，将这套核心商业理念应用到太空事业，就不难理解为什麽SpaceX会从开发液态火箭引擎起步。火箭发射发展太空事业的三大重点就是：LV、LV、LV – LV就是「火箭发射器」（Launch Vehicle；LV） 。没有「火箭发射器」（LV），设计再好的卫星都无法进入太空轨道；如果委托火箭发射营运商代为发射，卫星的总营运成本（Total Cost）就无法降低，难以具备市场竞争力。Musk看明白这一点，亚马逊（Amazon）创始人Jeff Bezos也明白这一点，所以Musk的SpaceX与Bezos的Blue Origin，都从开发自家使用的液态火箭引擎起步。在SpaceX与Blue Origin成功开发出火箭前，世界上的火箭多半是倾国家之力开发，例如国内的长征火箭（注一）、法国的亚利安（Ariane）火箭（注二）、以及俄国的联合号（Soyuz）火箭（注三）。火箭引擎Musk要创造出「价格负担得起」（affordable）的火箭，就必须降低成本 – 非必要的零组件不使用军规，尽可能采用现成的商规成品，再加上模块化的软件，可重复使用的硬件（即火箭回收），从而建立起一套「垂直整合」（Vertical Integration）的创新商业模式。SpaceX发展的第一枚火箭Falcon 1是两节的单引擎液态火箭，总共投资将近一亿美元；经历三次发射失败，SpaceX几乎破产，终于在第四次才发射成功。Falcon火箭的灵魂就是SpaceX自行开发的液态火箭引擎Merlin，使用的燃料是从煤油精炼出来的RP1喷射机燃油，氧化剂则是低温液态氧。Merlin 液态火箭引擎经不断地改良，现在已经进入第四代。为求增加火箭总体运载能力，SpaceX开发出「猎鹰九号」（Falcon 9）– 「9」代表Falcon 9的第一节推进火箭（Booster）有9具Merlin液态火箭引擎，第二节火箭仅使用Merlin单引擎；这十具火箭引擎由三组独立又互相监控的电脑系统控制，达到三重安全保障。Falcon 9 的起飞推力，大约等于12架波音787客机的推力总和。 SpaceX应用「垂直起降技术」（Vertical Take Off and Landing；VTOL），成为火箭VTOL回收的始祖，第一节火箭在海拔100公里左右脱离，它会自动返航降落在指定的陆地定点、或是外海的无人平台上；第二节火箭回收不符合经济效益，因为第二节火箭的分离速度约为第一节火箭的4倍，而且离开发射点已经很遥远。按照据Musk的说法，Falcon 9 的大部分组件可重复使用100次，目前火箭回收已超过十数次，这种纪录在十多年前是难以想像的。火箭与卫星第一代（v1 、v1.5）Starlink卫星的重量约为250公斤，每颗卫星造价25万美元，由SpaceX「猎鹰9号」自行发射、分批次运送到440公里高度的低轨道上，连同发射费用每颗衞星总成本约60万美元。第二代Starlink卫星在2022年中就已经出现，卫星本体长度为7米，重量1,250公斤为第一代的5倍重。第二代的设计规格考虑到SpaceX新的发射系统「星舰号」（Starship）直径为9米，长度7米的衞星刚好可以躺平、叠放在舱内的衞星发射架上，Starship前端有一窗口，可以把卫星像提款卡一样、一片一片的推入轨道（参见下图）。 Starlink卫星发射超过3,000颗（计划发射42,000颗），卫星设计就已经从第一代进入第二代，重量从250公斤增加5倍，发射系统从Falcon 9改为Starship（为登陆火星设计）– 这一切举措都非常符合Musk「持续改良」的核心商业理念。福卫五号台湾的「福衞五号卫星」在2017年8月25日就是搭乘Falcon 9火箭，从美国加州范登堡空军基地升空，进入720公里高度的「太阳同步轨道」（Sun Synchronous Orbit），相较于「地球同步轨道」（GSO）的高度约为36,000 公里。 台湾国家太空中心（NSPO）利用「福衞五号卫星」为发展平台（注四），与国内产业界及研究单位合作发展遥测卫星关键元件，包括指令与数据管理单元（CDMU）、电力控制与分配单元（PCDU）、飞行软件（Flight Software）、遥测酬载电子单元（RSI EU）、CMOS型聚焦面组合（CMOS Type FPA）等五项。下一篇会继续介绍「星链计划」（Starlink）现况（注五），包括2022年推出的第二代Starlink卫星及所衍生的商机。注一：长征系列运载火箭（维基百科） 注二：亚利安火箭（维基百科）注三：联合系列运载火箭（维基百科）注四：福尔摩沙卫星五号注五：「星链计划」（Starlink）现况

王志强博士谈低轨道卫星商机前，必须先了解Elon Musk是如何起家，他的商业模式以及星链计划（Starlink）版图全貌为何。Elon Musk起家Musk从电子商务支付系统PayPal赚得创业第一桶金，再以eBay在2002年以15亿美元买下PayPal的资金，设立SpaceX以及其他几家新创公司，其中包括生产电动车的Tesla。Tesla能够成功打开电动汽车市场，供应高达75%零件（注一）的台湾厂商居功厥伟，例如马达动力系统（富田电机、和大、中钢）、车电系统（和硕、台积电、亚光、同欣电）等。商业模式Musk的太空事业版图是，提供衞星发射服务开始，SpaceX的核心商业理念在于：实现「垂直整合」（Vertical Integration），提供一条龙服务，降低营运成本，并持续改良演变 。SpaceX从开发「猎鹰九号」（Falcon 9）液态火箭引擎（注二）起步，逐步进入通信卫星产业星链计划（注三）。 亚马逊（Amazon）创始人Jeff Bezos的Blue Origin所推出Kuiper衞星计划（注四），与SpaceX的星链计划（Starlink）的商业模式如出一辙。星链计划在星链计划（Starlink）进入卫星通信市场前，HughesNet 和Viasat是两家比较着名的全球「宽带衞星网络」（Broadband Satellite Network）营运商 – HughesNet有20多颗卫星，Viasat也有6颗卫星，上述两家公司的卫星全都分布在「地球同步轨道」（Geosynchronous Orbit；GEO）。一般GEO通信衞星都放置在飞行高度达36,000公里的GEO轨道上，好处是涵盖面积广，坏处则是信号传输距离远，会造成显着的「信号延迟」（latency）；平均延迟时间约为100至300「毫秒」（ms）。一般来说，视讯串流（video streaming）与电子游戏是无法接受100~300「毫秒」（ms）的信号延迟。造成通信信号延迟的原因不只一种，本文所提到的延迟主要是因为距离所造成的「信号传播」（propagation）延迟。一般而言，手机的cellular信号延迟小于5毫秒，而衞星通讯信号延迟往往超过100毫秒，主要是因为地球同步卫星离地面太远、而且带宽较小。并不是世界上每个角落都设有基站，所以在偏远地区，以及一些第三世界国家没有「网格网络」（cellular）的基础建设，最便捷的通讯设备还是得靠衞星通讯。低轨道卫星通信Musk看准了这个商机，计划逐步在「地球低轨道」（Low Earth Orbit；LEO）发射4.2万颗小衞星，布建出一个低轨道通信卫星网（参见上图）。低轨道通信卫星网共分为三层：底层在340公里、中层为550公里、上层在1,110公里左右，目的就是要将信号延迟数字降低到25毫秒以下。在Starlink加入卫星通信战局前，全球发射的轨道衞星总数累计为12,480颗，目前大约只有4,900颗还在运作。Starlink目前已经发射超过3,000颗卫星到低轨道，Starlink能够快速布置低轨道卫星，就是靠SpaceX的火箭发射能力 。「猎鹰九号」（Falcon 9）火箭一次能运载60颗250公斤的小衞星到低轨道；Falcon Heavy甚至可以一次运送245颗卫星；而SpaceX的衞星制造工厂每个月可生产约120颗卫星。Starlink Internet目前的服务地区，局限于美国高纬度地区及加拿大、英国、丹麦、比利时、法国、德国、荷兰、澳大利亚及新西兰等地，估计到2023年底才能完整覆盖全球各国。在俄乌战争中，Musk对乌克兰无偿提供Starlink卫星通信服务，不得不承认他不仅是经营长才、科技天才，更是位市场行销高手。星链计划难道只是瞄准没有「网格网络」（cellular）基础建设的偏远地区与第三世界国家？当然不是，所以台湾厂商需要洞悉星链计划的商业版图全貌。下一篇会继续为读者介绍SapceX火箭发射器、Starlink卫星本体、用户端天线与相控阵列天线的演变及所衍生的商机。附注一：电动车产业卡位战 特斯拉75%零件MIT （Yahoo 新闻） 附注二：漫谈太空旅行（四）附注三：马斯克的「星链计划」（Starlink）附注四：不让马斯克专美于前！亚马逊旗下Kuiper计划明年发射首批低轨卫星，剑指SpaceX「星链计划」 作者王志强博士曾任美国麦道太空系统公司（MDSSC）空气动力学专家，1992年加入台翔航太（TAC）协助民航机产业发展；曾历任安达信 企业战略经理，国内和光集团战略长、富士康董事长特别助理、友达营销高端主管、林肯电气合资公司广泰执行副总、美世顾问台湾区总经理、上海佳格营运长等。