人類半世紀前就能登月,為何「來趟太空蜜月之旅」卻還很遙遠?

人類半世紀前就能登月,為何「來趟太空蜜月之旅」卻還很遙遠?
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我們想讓你知道的是

電腦和太空科技幾乎同時始於二戰後,如今電腦已經進入每個人的口袋中,但上太空仍然是荊棘叢生的貴族遊戲。

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文:火星軍情局局長(作家兼部落客)

1958年,第一顆人造衛星說穿了就只是一顆能發射電波的金屬籃球,但是短短11年後,人類竟然能登陸月球,其中的突飛猛進有如三級跳。活在當時的人們,一定會以為不久的將來太空旅行如家常便飯,甚至移民太空指日可待。登月前一年由庫柏力克(Stanley Kubrick)執導的經典科幻電影《2001太空漫遊》(2001:A Space Odyssey),片中預測在2001年,人們只需買張機票就可以到軌道上的巨大環狀太空站洽公和度假,而且月球上有大型基地,也有載人太空船遨遊太陽系......

但2019年的現在,上述的一切都沒有發生。因為發射火箭非常昂貴,只有幾個大國才玩得起,對口袋不深的國家、組織或公司,太空是一個高不可攀的門檻,更別提移民太空站了。

發射火箭有多貴呢?美國太空總署(NASA)當年估計用太空梭給國際太空站後勤補給的平均價碼是每公斤約2萬2000美元,而外界的估計卻是3倍之多,也就是說,350公克的瓶裝礦泉水上到太空站就要2萬美元,這價錢都可以買輛車了。

SpaceX與回收火箭

也因如此,當年SpaceX創辦人馬斯克(Elon Musk)誓言要大幅降低發射成本,其秘訣是:多次回收,重複使用火箭。他曾表示,SpaceX目的就是要讓人類變成星際民族。

要解釋可回收火箭如何降低成本,就要稍微說明傳統火箭的運作方式。多數的傳統火箭都有2節,第一節最大,負責把第二節火箭和酬載,例如衛星或太空站的補給船推上大氣層邊緣,燃料用盡後與第二節脫離,變成廢物落回地表。此時第二節火箭點火,把酬載送到預設的軌道後再與其分離。

因第二節火箭體積小速度快,通常會成為太空垃圾一段時間後返回大氣層內燒毀。看到這裡,讀者一定發現一個大問題:只有小小的酬載留下來,其他絕大多數的火箭部件全是一次性,用完就丟。想像坐飛機旅遊,落地後飛機就當廢鐵賣掉,這樣的機票當然十分昂貴。

所以,回收火箭便是一個好的主意。以SpaceX的獵鷹9號火箭來說,發射總成本約6120萬美元,其第一節火箭佔總成本的70%、燃料成本則只有30萬美元,不到總成本0.5%。所以,即使回收後的火箭整理費用要910萬美元,每次發射分擔後的成本還是比用完就丟的火箭便宜太多。

不過,首創回收火箭的並不是SpaceX,太空梭基本上就是為此所做目的設計,其燃料箱兩側的助推火箭可回收,利用降落傘落在海中再以船隻拖回,但事後證明太空梭反而又貴又危險。

另外,以火箭本身的推力垂直降落也非SpaceX首創,1990年代時麥克唐納道格拉斯公司(McDonnell Douglas)的三角快船實驗火箭(Delta Clipper Experimental, DC-X)就為此測試過火箭的垂直起降,而SpaceX的競爭對手藍色起源更首度用火箭垂直降落後再回收使用。不過,讓SpaceX聲名大噪的是其火箭為真正上外太空、又成功地用於商業用途的首例。

發射福衛七號的STP-2任務

SpaceX於今(2019)年6月25日,搭載包括台灣的福衛七號在內的STP-2發射任務,號稱是SpaceX史上最困難的任務。所謂的STP是指美國空軍的太空測試計畫(Space Test Program),它可說是SpaceX的期中考,如果通過了,SpaceX的回收技術就有資格執行美國國防相關任務。任務艱難在於,除了要回收第一節的主火箭、兩側的助推火箭與整流罩外,還要酬載24顆來自不同客戶的衛星,且須部署在3個不同高度的軌道。

除了增加軍事部署的彈性,在商業上也有重要的意義。舉例來說,若有天要從台北搭車前往高雄,有的車行因為專門為一人服務,因此所費不貲;有的車行報價較便宜,但要坐滿才開,所以必須慢慢等。而SpaceX就像一家新的車行,有獵鷹重型這樣的大車,還願意載到不同目的地,所以若是有要去台南、高雄等地的旅客,也可輕易湊滿一輛車,隨時出發,車資也便宜得多。

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Photo Credit:科學月刊

圖一是本次發射任務的程序,火箭升空至67公里的高空後,2台助推火箭燃料燒盡後同步脫離主火箭並反轉逆向噴射,返回原發射場,在降落程序中運用柵格翼(gridn)和火箭推力控制方向。助推火箭分離後的主火箭繼續推動到128公里的高空,因本次的酬載量大且有數個目的地,主火箭需攜帶更多燃料,與第二節火箭脫離後已經離發射場太遠,所以要降落在離發射場1200公里處等待的自動駕駛海上平台我當然還愛你號(Of Course I Still Love You)。

另外,火箭鼻端的2片整流罩也分離,先後靠本身的空氣阻力和降落傘慢慢落下,由另一艘船樹女士(Ms.Tree)張著大網接住。SpaceX目前並沒有回收第二節火箭的計畫,但未來新一代火箭大獵鷹火箭(Big Falcon Rocket, BFR),如同子彈外型的第二節火箭是可回收的。

STP-2任務最後的結果是:酬載的衛星都順利部署,2台助推火箭漂亮地降落在發射場旁,第一節主火箭在最後墜毀在我當然還愛你號旁,樹女士也順利地接住整流罩,美國空軍看來相當滿意。

讓科幻變成真實

重複使用火箭與降低成本固然很好,但與文章開頭的科幻情節有什麼關係呢?

因價格會決定技術的普及性,而普及的技術會擴大經濟規模,進而又刺激技術發展。可惜火箭技術似乎沒有進入此良性循環,電腦和太空科技幾乎同時始於二戰後,如今電腦已經進入每個人的口袋中,但上太空仍然是荊棘叢生的貴族遊戲,直到新興太空公司利用新技術改變原來死氣沉沉的太空科技,讓人們看見新希望。

或許不久的將來,上太空的門檻會低到一個程度,讓人們敢於嘗試新的商業模式。不論是觀光、通訊、開礦、移民或現在還想像不到的目標,都有機會從目前賠本生意變成發大財,那就是從科幻到真實的關鍵。

參考資料
  • Vidya Sagar Reddy, The SpaceX Effect, New Space, 2019.
  • Elon Musk, Making Humans a Multi-Planetary Species, New Space, 2017.
  • A Brief Recap of Reusable Rockets, https://reurl.cc/eea2W。

本文經科學月刊授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航

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