SEE 如何運用模擬技術推動太空經濟發展

19 世紀初的工程師與現代火箭科學家有什麼共通點？其中一個連結他們的關鍵，是他們用來理解世界的數學工具，例如用來追蹤衛星的公式。

此外，兩者之間相似的還有對於產業即將迎來重大變革的那股明確興奮感。在 1800 年代，工程師們可能因公共運輸系統的興起而感到振奮 — 運河、馬車道路，以及跨越國家與大陸的鐵路系統；而在現代，我們的下一個交通階段可能在外太空。然而，開創新領域從來都不是件容易的事。想要在這場星際冒險中取得成功，就必須設法建立一個可行的太空經濟，Space Exploration Engineering (SEE) 的創辦人、技術長、軌道導航專家與技術顧問 John Carrico 表示。

未來的道路將仰賴大量創新，才能以全新方式徹底革新太空產業，從低推力引擎到高效率燃料皆是如此。這也正是 SEE 等公司發揮作用的地方。SEE 擁有參與 60 多次實際太空任務的經驗，結合其航太專業知識，擔任顧問與導師的角色，協助航太公司「比過去的任務更快地邁向成功」，SEE 的首席航太工程師暨飛行動力學與任務操作專家 Craig Nickel 表示。

透過與各種產業領先公司合作，SEE 得以親身參與並引領太空產業的未來。SEE 正協助各類型公司 — 無論是商業或政府機構、傳統或新興太空企業、低地球軌道 (LEO) 或深空任務 — 克服設計、規劃、分析與執行任務中所面臨的重大挑戰，邁向成功，並讓整個產業更接近一個蓬勃發展的太空經濟。

解決太空產業的成長痛點

太空產業相對年輕；即便是 NASA，也是在不到 70 年前、1958 年才成立。儘管時間不長，太空產業已經歷了巨大變化。

首先，太空產業本身 (就像宇宙一樣) 正持續擴張。尤其是近年，我們看到供應商、太空船開發者與營運方數量大幅上升。這樣的變化令人振奮，但同時也是當前產業面臨的幾大挑戰核心。

「太空現在有點擁擠又混亂，」Nickel 表示。「目前太空產業與衛星營運商面臨的最大挑戰，就是避免碰撞，以及擁有降低這些風險的能力，讓所有人都能在太空中安全運作。」

要達成這個目標，其中一項必要條件是促進營運者之間的資訊共享，以提升操作安全性。然而，在這個不斷成長的產業中進行溝通與合作，本身就是另一項必須克服的挑戰。Carrico 表示，重要資訊往往因公司或國家政策而被孤立，而不同國家又各有不同的合規標準，這很容易導致混淆。即使是在同一個國家內協調，也可能因為過時的法律與規章、多樣化的「標準」，以及不斷變動的政府政策與激勵措施而出現問題。

在這樣已經充滿挑戰的環境下，商業太空企業又面臨更多關於獲利性的障礙。「商業太空領域有趣的地方在於，投資人需要獲得報酬，並希望時程比傳統太空任務來得更快。」Carrico 表示。這樣的目標代表商業太空公司可能會針對與政府機構不同的方向進行最佳化。

為了達成公司特定的目標，往往需要進行量身打造的分析，找出符合其獨特需求與指標的可行方案。舉例來說，某間商業公司可能希望有更多發射機會，因此會在最終軌道精確度上做出些許犧牲，Nickel 說道。

為了實現這些雄心勃勃的目標，商業公司也不斷創新，突破可能性的邊界。這種快速的創新節奏也導致整個產業幾乎沒有既定「規則」或標準作法可供依循。因此，工程師不僅需要客製化的分析工具，還需要那些夠快、夠靈活、能跟得上技術進展的分析方法。而模擬技術正是能夠填補這個空缺的關鍵工具。

模擬技術在現代太空時代中的角色

儘管太空產業使用的一些基本數學早已由數個世代的工程師沿用至今，應用這些數學的技術本身卻已呈指數式進步。「我們並不是有了更好的演算法，而是能跑得更快、更頻繁，」Carrico 表示。同樣是 10 分鐘，19 世紀的工程師也許只能手算出幾個結果，而現代工程師借助模擬與雲端運算工具，卻能產出上千筆結果。

Nickel 表示，如此大量的結果能提供具統計意義的樣本，更有效評估風險。因此，模擬軟體等工具能讓現代工程師更有信心地縮小安全邊際，並接受更緊縮的設計容差。例如，透過精準計算達成任務所需的最小推進劑量，可以提升效率、降低成本。工程師能利用這些模擬結果來管理不確定性，並發掘更多成功的機會。

對於 SEE 而言，其角色也緊扣這個過程。該公司身處傳統太空任務與新創公司交會的核心位置。SEE 利用其持續開發、並應用於大型政府任務的嚴謹技術與方法，協助較小的公司識別與管理風險。藉由 Ansys 軟體的強大功能，SEE 能協助釐清在降低成本與提高任務成功率之間的權衡。這對於重視投資報酬率並希望控制支出的商業公司來說，尤其關鍵。

舉例來說，假設某公司正在為月球任務選擇兩種太空船引擎。其中一種性能略優，但價格較高。SEE 就能利用 Ansys 模擬軟體，評估這項差異是否足以影響整體設計與任務可行性，進而判斷是否值得投資。

在與各方合作夥伴的整個過程中，SEE 持續應用模擬技術協助他們創新、管理風險、提升效率並壓低成本。「我們會從整個設計流程一路參與到任務結束的操作階段。」Carrico 表示。

我們可以從 SEE 過往的實務經驗中，一探模擬技術在太空領域的廣泛價值。

任務與軌道規劃中的模擬應用

若您飛入地球周圍的太空，您會發現幾乎轉頭就能遇上太空碎片：不論是在低地球軌道 (LEO)、地月空間，甚至月球周圍。再加上越來越多的運作中太空船，例如立方衛星與巨型星鏈。這樣的擁擠環境讓您要成功安插進正確的軌道位置，就像是在「穿針引線」，Carrico 形容道。

為了因應這項挑戰，SEE 運用 Ansys Systems Tool Kit (STK) 數位任務工程軟體與 Ansys Orbit Determination Tool Kit (ODTK) 軌道測量處理軟體，來計算機率、並找出能成功執行任務所需的最佳軌道。

這項工作也與第三方商業業者合作，他們能協助簡化避碰軌道的選定流程。

模擬技術對通訊能力提升的必要性

改善現有的通訊能力，是邁向太空經濟未來的關鍵一步。舉例來說，隨著更多商業公司嘗試進軍深空，與其太空船的聯繫將變得越來越困難，Nickel 表示。雖然 NASA 的深空網路 (DSN) 目前仍在運作，但它的負荷已超載，無法支援所有未來的深空任務。因此，未來的太空經濟勢必需要更多地面網路提供者的加入。

這個快速發展的產業已經在著手解決這個問題。「商業業者正在打造更大、更強的天線碟盤。」Carrico 表示。NASA 也透過獎勵機制鼓勵商業公司提供這類服務，像是支援通訊、追蹤、定位與時間同步的中繼衛星。

SEE 在這方面同樣運用 Ansys 模擬軟體解決多項通訊挑戰，例如進行鏈路預算分析、模擬軌道、覆蓋範圍與網路佈局。這有助於 SEE 判斷應該把衛星天線與碟盤設在哪些地點，才能達成任務目標。

「Ansys 軟體不僅能模擬我們的軌道細節，還能納入地球上的各種硬體與環境限制，例如某座山是否會遮蔽通訊。」Carrico 說道。透過這些資訊，公司就能找出最佳方案以避免通訊中斷。

以韓國 KPLO/Danuri 月球任務為例，其中涉及啟用一座新的地面天線，並利用 STK 與 ODTK 軟體設計整個地面系統。在這項任務中，SEE 提供了操作支援、系統精度分析與驗證服務 — 藉由模擬技術，協助確保任務順利完成。

透過模擬技術快速應對突發狀況

在擠滿工程師的指揮中心中，一股有方向卻混亂的氣氛瀰漫整個空間，所有人都在努力釐清太空船為何會出現突如其來的異常情況。每個控制台前都有人，筆在紙上飛快書寫，各小組低頭研究試算表，房間角落裡則是不斷湧現的緊急對話聲。在這一片混亂之中，SEE 正在使用 Ansys 模擬軟體，試圖判斷發生了什麼事 — 以及下一步應採取的修正行動。

這種 Nickel 稱作「有方向的騷動」的情況，並非理論情境。在 Astrobotic Technology 發射 Peregrine 任務後，Astrobotic 發現推進系統異常，最終確認為持續性的氧化劑洩漏，進而影響了軌道。SEE 與 Astrobotic 的飛行動力學工程師在任務期間使用 STK 軟體對洩漏情況進行建模。他們透過該模型與其他觀測資料，判斷異常發生的原因及其對飛行軌跡的影響。

Carrico 解釋：「我們會反推出有效的加速度位置、洩漏點在太空船本體座標系中的位置，然後再前往控制中心的其他小組，與導引、導航及控制 (GNC) 人員對話...我們會說：『我們認為洩漏點可能在這裡。』然後將模擬結果進行比對。」。

透過這個過程，SEE 與 Astrobotic 最終成功找出洩漏的來源與強度。接著他們能夠預測太空船的當前軌跡，並進行幾項關鍵計算，包括推力修正與安全重返地球大氣層的規劃。這些修正是透過即時更新的模型完成的，「所以我們才能讓 (太空船) 繼續運作到任務結束。」Nickel 表示。

即使這艘太空船未能成功登月，Astrobotic 仍從中獲得了大量新知，包括各項酬載的資料，以及各類組件在太空中表現的相關資訊，這些成果「大幅降低了未來任務與其客戶的風險」Carrico 表示。

為何「協同合作」才是太空產業的未來

隨著商業太空新創的興起，太空產業的發展速度前所未有地加快，但這並不代表產業文化就是單純的競爭導向。

「我們需要很多人在太空中做各種不同的事，並且彼此互動，才能真正建立起太空經濟。」Carrico 表示。整個產業都對這個快速發展中的新興產業以及未來地月經濟的雛型充滿期待。

「協同合作，無疑是促成最終成功的重要元素之一。」Nickel 補充。特別是在今天這麼多任務不斷進行的時代，若能透過資訊共享，讓更廣泛的群體從中學習與應用過去的經驗，是關鍵中的關鍵。

這類全球性合作有多種形式，例如專注於互補技術的新創公司之間的合作、與透過雲端計算提供省時服務的第三方業者合作，或是政府與商業機構之間的跨界合作。在這些合作關係中，模擬技術與數位工程同樣能扮演連結的角色，促進知識交流、催生創新科技，進一步推動新太空經濟的誕生。

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