航太科技概論

自序
1957年10月4日蘇聯發射第一顆人造地球衛星「史潑尼克1號（Sputnik 1）」進入太空軌道，人類的太空時代由此展開；航太科技經過各航太國家60餘年來的發展、長期的進步與累積，已經非常成熟；利用航太科技不僅大幅改善了人類的生活品質與內涵，更促進了全球經濟的發展與社會的繁榮，時至今日航太科技不僅已成為現代化產業重要的一支，太空且已轉化為航太強國的寶庫與資產。1947年歸化美國的納粹德國火箭專家瓦爾特．羅伯特．多恩伯格（Walter Robert Dornberger）曾指出：「航太科技在軍事上意味著作戰領域的擴大；在政治上意味著國家威望的提高；在科學上將大幅增進科學知識與提升人類的生活水準。」這位火箭專家70多年前高瞻遠矚的預言，至今已經完全實現。
航太科技將是二十一世紀前半葉最有發展前途的新產業。美國銀行（Bank of America）2020年10月發布研究報告估計，按照過去兩年的複合年均成長率10.6%計算，太空產業的收入將從2019年的4240億美元，增至2030年的1.4萬億美元。另根據美國衛星產業協會（Satellite Industry Association）資料顯示，2021年全球太空經濟產值約3860億美元，其中全球衛星產業產值約2790億美元，2022年全球衛星產值有望達到2950億美元，其產值將繼續快速成長。人類正在進入一個激動人心的航太時代，預估未來數十年取得的進步將超過整個人類歷史。
我國研製人造衛星已30餘年，國內共有航太科技公司130家，4所大學設有航太工程學系，已經奠定發展航太產業的基礎。為強化我國太空科技研發能力及產業布局，原隸屬於財團法人國家實驗研究院之國家太空中心，於2023年1月1日依照「國家太空中心設置條例」正式改制為行政法人國家太空中心，提升為國家科學及技術委員會（國科會）轄下新設的法人機構，俾能加速培育太空科技人才與研製能力，進而整合我國優勢的半導體科技和精密機械科技等產業，建構我國研製衛星與火箭的產業鏈，進軍全球太空市場分享即將來臨的航太時代紅利。基於配合國家發展航太產業的目標，筆者特就所學與所知撰寫《航太科技概論》一書，向我國有志於航太發展的國民傳播航太科技相關的基本概念，期盼能為國家發展航太科技產業，貢獻棉薄之力。
《航太科技概論》一書共十二章，內容主要涵蓋二大部分：第一章至第六章說明航太科技相關的基本知識，第七章至第十二章說明航太科技發展的簡要歷程與展望。
對大多數讀者而言，航太科技十分陌生。因此第一章先由浩瀚的太空說起，從太空的起始高度，進而說明地球太空、臨近太空、月球太空、地月太空、行星際太空與恆星際太空，以及它們的環境特性。第二章說明太空飛行器的分類與識別編號，使讀者了解太空飛行器的類別，與識別編號的功用。航太（太空飛行）與航空（大氣層飛行）的特質迥異，因此第三章以對比方式說明兩者的不同，並且將航太的基本概念擇要加以說明，有助讀者閱讀本書其他各章的相關內容。發射太空飛行器與操控它按照航太動力學的規律飛行，必備具備運作太空飛行器的工程系統，第四章予以扼要說明。人造地球衛星是太空飛行器的基本型態，星球探測器與太空船皆由它研改而衍生，因此第五章先說明人造衛星的構造，並將人造衛星軌道的6項要素、各型軌道的定義與影響壽命的主要因素（飛行於地心軌道的太空飛行器皆適用），以及人造地球衛星的星座與編隊飛行等，分別加以說明。第六章詳細說明太空飛行器的發射、進入軌道飛行，與飛返降落回到地球，如何完成其既定的飛行任務。
人造地球衛星具有多樣性的功能，因而能提升人類生活品質與內涵、促進經濟發展與社會繁榮，是航太科技最能產生直接效益的部分，其中以通信衛星、對地觀察衛星與導航定位衛星最能創造經濟效益，各航太國家競相研製與發射，第七章就此三類衛星擇要予以說明。第八章、第九章與第十章分別就載人太空飛行、探月與登月，以及深遠太空探測的發展歷程簡要說明，讀後能了解此三航太科技領域發展的艱辛過程，與各國航太科技能力的差距。第十一章說明六個主要航太國家發展其航太科技的歷史背景與過程，以及成為主要航太國家所必需的基本條件。第十二章說明航太科技的內涵與效益、太空飛行器與平民生活密不可分、太空愈來愈趨於「軍事化」，以及太空垃圾大量累積將使太空面臨不能使用的危機。太空已是人類的資產與未來的戰場，人類應珍惜太空與積極應對危機。
本書扼要說明航太科技相關的基本概念與各領域的發展歷程，可用為大專學校航太、航空與機械工程等學系的通識教育課本（附有參考資料與深度理解題目）、國高中與大學同學的科普讀物，以及社會各行從業人員的參考書籍。至於有關近年航太科技發展的新成果、新產業與新趨勢，請參閱筆者發表於《全球防衛雜誌》月刊的專文（詳見本書附錄三），以補充本書之不足。
筆者才學淺陋，且蒐集的資料可能不全，內容難免有錯誤與遺漏之處，尚祈專家與讀者多多不吝指正與見諒為感。


應紹基 敬誌
2023年5月

自序
1957年10月4日蘇聯發射第一顆人造地球衛星「史潑尼克1號（Sputnik 1）」進入太空軌道，人類的太空時代由此展開；航太科技經過各航太國家60餘年來的發展、長期的進步與累積，已經非常成熟；利用航太科技不僅大幅改善了人類的生活品質與內涵，更促進了全球經濟的發展與社會的繁榮，時至今日航太科技不僅已成為現代化產業重要的一支，太空且已轉化為航太強國的寶庫與資產。1947年歸化美國的納粹德國火箭專家瓦爾特．羅伯特．多恩伯格（Walter Robert Dornberger）曾指出：「航太科技在軍事上意味著作戰領域的擴大；在政治上意味著國家威...

目錄
自　序

第一章　浩瀚的太空
第一節　緒言
第二節　太空的起始高度
第三節　地球大氣圈是太空的一小部分
第四節　地球大氣圈造就了地球的宜居環境
第五節　地球太空
第六節　月球太空與地月太空
第七節　行星際太空
第八節　行星際太空內天體的概況
第九節　恆星際太空
第十節　深遠太空
第十一節　臨近太空
第十二節　太空的環境特性
第十三節　結語

第二章　太空飛行器的分類與識別編號
第一節　緒言
第二節　太空飛行器
第三節　太空飛行器的分類
第四節　各國自主發射的第一顆衛星
第五節　太空飛行器的國際識別編號
第六節　結語

第三章　航太的基本概念
第一節　緒言
第二節　航空的特質
第三節　航太（太空飛行）的特質
第四節　發射窗口
第五節　第一宇宙速度（環繞速度）
第六節　第二宇宙速度（逃逸速度）
第七節　第三宇宙速度
第八節　軌道太空飛行與亞軌道（次軌道）太空飛行
第九節　太空飛行器的初始運行軌道
第十節　霍曼轉移
第十一節　軌道保持
第十二節　重力助推
第十三節　結語

第四章　運作太空飛行器必需的工程系統
第一節　緒言
第二節　發射與回收太空飛行器必需的工程系統
第三節　航太測控網系統
第四節　中國的航太測控網系統
第五節　美國的航太測控網系統
第六節　結語

第五章　人造地球衛星的基本概念
第一節　緒言
第二節　人造衛星的構造
第三節　人造地球衛星軌道的6項要素
第四節　人造地球衛星／太空飛行器的任務軌道
第五節　人造地球衛星的分類
第六節　人造地球衛星（太空飛行器）的軌道運行和機動飛行
第七節　影響在軌地球人造衛星（太空飛行器）壽命的主要因素
第八節　人造地球衛星星座
第九節　人造地球衛星編隊飛行
第十節　結語

第六章　太空飛行器的發射、入軌與返回
第一節　緒言
第二節　運載火箭發射太空飛行器進入太空軌道的過程
第三節　發射衛星進入地球靜止軌道的過程
第四節　運載火箭直接將衛星發射進入地球同步軌道的方法
第五節　「一箭多星」方式發射人造地球衛星
第六節　行星際飛行器如何飛往行星際太空星球
第七節　行星際飛行器用以增減飛行速度的「巧門」
第八節　太空飛行器返回地球的過程
第九節　太空梭飛行器返回地球的過程
第十節　結語

第七章　人造地球衛星：航太科技的「搖錢樹」
第一節　緒言
第二節　應用最廣的三類人造地球衛星
第三節　通信人造衛星
第四節　成像（照像）衛星
第五節　衛星導航系統
第六節　結語

第八章　載人太空飛行發展的歷程
第一節　緒言
第二節　載人太空飛行的內涵
第三節　蘇聯領先期—發展載人太空飛行的基本技術
第四節　美國領先期—發展載人登月飛行相關技術
第五節　美、蘇合作期—各自與共同建構太空站
第六節　急起直追的中國—第三個載人太空飛行國家
第七節　載人太空飛行朝商業化發展
第八節　結語

第九章　探月與登月的發展歷程
第一節　緒言
第二節　探月與登月發展的概略情形
第三節　第一輪探月活動—蘇聯與美國的對抗競爭
第四節　第二輪探月活動—日、美、歐、中、印、以、韓多國參與
第五節　載人登月—美國贏得載人太空飛行的冠冕
第六節　美國重返月球的阿提米絲計畫
第七節　其他各航太國家的探月、著月與登月遠程計畫
第八節　結語

第十章　深遠太空探測的發展歷程
第一節　緒言
第二節　人類探測太陽的概要
第三節　人類探測水星的概要
第四節　人類探測金星的概要
第五節　人類探測火星的概要
第六節　人類探測其他星球的概要
第七節　結語

第十一章　全球六個主要航太國家／組織
第一節　緒言
第二節　蘇聯／俄羅斯
第三節　美國
第四節　中國
第五節　歐洲太空總署
第六節　日本
第七節　印度
第八節　結語

第十二章　太空已是人類的資產與未來的戰場
第一節　緒言
第二節　太空飛行器衍生為實用化工具
第三節　太空飛行器與平民生活的關連
第四節　航太科技的內涵與效益
第五節　太空愈來愈趨於「軍事化」
第六節　發展航太科技的副產品—大量累積的太空垃圾
第七節　太空垃圾將使太空面臨不能使用的危機
第八節　航太國家已展開減量與清除太空垃圾的行動
第九節　結語

附錄一　本書參考資料
附錄二　深度理解題目
附錄三　筆者近年發表的航太科技研發相關文章

目錄
自　序

第一章　浩瀚的太空
第一節　緒言
第二節　太空的起始高度
第三節　地球大氣圈是太空的一小部分
第四節　地球大氣圈造就了地球的宜居環境
第五節　地球太空
第六節　月球太空與地月太空
第七節　行星際太空
第八節　行星際太空內天體的概況
第九節　恆星際太空
第十節　深遠太空
第十一節　臨近太空
第十二節　太空的環境特性
第十三節　結語

第二章　太空飛行器的分類與識別編號
第一節　緒言
第二節　太空飛行器
第三節　太空飛行器的分類 ...