一、前言

人造衛星繞行於地球上空，以執行太空任務。人造衛星本體並不具備可進入太空軌道的動力，因此，必須透過衛星推進系統，將注入的推進劑轉換為高速氣流噴出，進而產生推力，提供衛星進入軌道後，執行軌道操作工作的動力來源，於軌道嵌入、姿態控制、位置保持，以及其他軌道上的移動。

二、衛星簡介

衛星是圍繞太空中一個較大物體運行的任何物體，其軌道路徑可以是橢圓形或圓形。較大物體在繞軌道運行時會抓住較小的物體，並提供熱量、光、能量和生命，包含天然衛星與人造衛星：太陽系中有200多顆天然衛星圍繞著天體運行，像是地球、火星、土星等圍繞太陽運行的行星；而人造衛星是在發射到軌道前，在地球上開發製造的，像是導航衛星、地球觀測衛星、通訊衛星等，其中，國際太空站(International Space Station, ISS)是一顆著名的人造衛星，由美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)、日本宇宙航空研究開發機構(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)、歐洲太空總署(European Space Agency, ESA)、加拿大太空總署 (Canadian Space Agency, CSA)及俄羅斯國家航太集團(Roscosmos)五個主要航空機構所建造。

人造衛星依照距離地球遠近，區分為低軌道(Low-Earth Orbit, LEO)衛星、中軌道(Medium-Earth Orbit, MEO)衛星及同步軌道(Geostationary Orbit，GEO)衛星。低軌道衛星運行於500至1,200公里高度間的軌道，大多應用於電訊、太空研究，以及災害應對、環境監測之地球觀測活動；中軌道衛星運行於5,000至20,000公里高度間的軌道，大多用來提供GPS衛星定位與導航功能，亦能使用於通訊基礎設施缺乏的地區，提供高頻段通訊連接，常應用於航空、海事的救援行動；同步軌道衛星距離地表遠達3.6萬公里，在地球赤道上空運行，能夠與地球自轉同步，常應用於氣象觀測、低速通訊、廣播電視。

俄羅斯在1957年發射第一顆人造衛星後，各國為了商業、外交與教育服務之目的，陸續發射衛星，根據Statista資料庫顯示，2011年至2021年，全球所發射之人造衛星數量估計從1,033顆增加至4,877顆(圖一)。其中，現役人造衛星中，以美國、中國、俄羅斯為前三大人造衛星發射國家，數量依序為2,944顆、499顆、169顆(圖一)。

三、衛星推進系統分類

衛星推進系統對於人造衛星的運行極為重要，依據推進劑的使用條件，分類為化學推進系統、電力推進系統、混合化學推進系統，以及混合電力推進系統，如下：

(一)化學推進系統
化學推進系統透過兩種以上的化學物質(燃料、氧化劑)形成化學反應，藉以產生推力來推動衛星。該系統具備低比衝(Specific impulse)、高推力重量比(Thrust-to -weight ratio)之特點，適合應用於衛星姿態校正、軌道變換。

(二)電力推進系統
電力推進系統的動力來源大多為太陽能或核能，使用電場或磁場來推動帶電離子、電子，產生推力。該系統中的推進劑噴射速度比傳統推進系統快20倍，其有效質量、比衝更高，但推力功率較低，因此，適合應用於位置保持、旋轉，以及軌道上的移動。

(三)混合化學推進系統
混合化學推進系統包含固體顆粒與液體材料，兩者分開儲存。該系統會使用固體燃料、液體氧化劑的推進劑混合物，或是液體燃料、固體氧化劑的推進劑混合物，使用上，相較於化學推進系統，具備更高的比衝與更高的推力重量比，適合應用於衛星的姿態控制。

(四)混合電力推進系統
混合電力推進系統由化學材料與電子元件提供推力，應用於控制衛星至最終軌道，並且保持衛星與地球的相對位置。

亦有衛星推進系統以太空中的物質與能量作為介質，在不使用推進劑(或僅需微量推進劑)的條件下，提供推力之新興技術，分類為偶極驅動(Dipole Drive)、太陽帆(Solar Sails)、吸氣式電推進(Air Scooping Electric Propulsion)，以及其他備受矚目之推進系統技術，包含核熱推進(Nuclear Thermal Propulsion)、下一代太空用綠色推進燃料(Green Propellant Infusion Mission)，如下：

(一)偶極驅動
偶極驅動推進系統使用環繞空間(Ambient Space)等離子體作為推進劑，在行星磁層內產生推力，亦能在行星際空間(Interplanetary Space)中產生任何方向的推力，取代傳統電力推進系統的缺點。

(二)太陽帆
太陽帆推進系統透過比紙薄40至100倍的鏡片材料來反射太陽光，利用撞在薄膜上的光子反射後產生輻射壓來提供推力，讓衛星在軌道上移動。由於太陽帆技術不依賴燃料，並且能夠從太陽獲得無限能量，達到傳統推進系統無法達到的速度，未來將能把衛星送入更高軌道，使得該技術獲得太空領域研究者的關注。

(三)吸氣式電推進系統
吸氣式電推進系統使用大氣作為推進劑，藉由周圍的空氣分子來推動本體，並依據需要重新填充，不需要化學推進劑或電力推進，能使極低地球軌道(Very Low Earth Orbit, VLEO)幾乎無限期地停留在太空中。

(四)核熱推進系統
核熱推進系統可在化學推進系統中產生高推力、提高推進劑效率，使其成為未來深空太空人任務的理想選擇。理論上，在衛星中使用核熱推進系統將更具機動性且不易受到攻擊，日前，美國國防高等研究計畫署(Defense Advanced Research Projects Agency)已投入3000萬美元於「月軌內敏捷行動示範火箭(Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations)」來驗證該論點，若試驗成功，核熱推進系統將可能成為軍用衛星的新型推進系統。

(五)下一代太空用綠色推進燃料
美國國家航空暨太空總署2019年開發出下一代太空用綠色推進燃料，由羥基硝酸銨(CTE Hydroxyl Ammonium Nitrate)與氧化劑混合而成的低毒性推進劑AF-M315E，其目的在於使用更安全的燃料，減少對有毒燃料聯胺(Hydrazine)的使用，以取代傳統燃料，並且提高推進劑效率、縮短充填的時間，日前正在測試燃料與太空推進系統的相容性。

四、小結

隨著太空探索任務與衛星系統服務的需求增加，使得衛星推進系統的技術快速進步，選擇可準確控制衛星姿態或位置，以及具有成本效益與能源效率的推進系統，可以讓衛星製造變得更便宜，增加衛星對太空發射的需求，以提供天氣預報、災害預防、農業預測、污染監測、行動網路、物聯網、廣播等衛星通訊服務，帶動全球衛星產業的發展。此外，依據聯合國外層太空事務廳(The United Nations Office for Outer Space Affairs, UNOOSA)的報告顯示，截至2022年1月底，太空中有超過8,000顆人造衛星；國際科學家聯盟UCS (The Union of Concerned Scientists , UCS)指出，在8,000多顆人造衛星中只有4,851 顆在運行，此數據顯示部分數量的人造衛星不僅無法提供用途，還會助長太空碎片的養成，增加人造衛星與太空碎片的碰撞機會；因此，藉由太空垃圾的清理作業，可確保衛星的運行安全，順利執行太空任務，此需求將可能成為未來太空服務業之發展方向。