零距離科學:從火箭方程到小型火箭──載人太空計劃的過去與未來 

零距離科學:從火箭方程到小型火箭──載人太空計劃的過去與未來 
美國太空總署研發的新一代載人火箭(S.L.S.),結合了阿波羅任務中使用的高載量火箭(土星五號)和已退役的太空梭,成為史上最強大的火箭。
我們想讓你知道的是

今集《零距離科學》,將會和大家講解火箭方程,解構美國太空總署新研發的載人火箭,還可以看看各種小型火箭的設計,不要錯過!

唸給你聽
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文:馬學綸(香港中文大學微生物學系博士)
圖:香港電台

如果以最好的祈願,我們沒有因全球暖化而自食其果,沒有被疫症和人禍消滅,沒有因絕望而放棄孕育下一代,一百年後的人類社會,會發展成怎樣?我們將會把眼光放在哪裡?低頭嘆氣後,何不試試抬頭望天?

脫離地球手冊——把物件送上宇宙的物理參數

眾所周知,如果你站在地上,用手把一件物件向上拋,物件先是會上升得越來越慢,直到靜止,然後開始往下跌,越跌越快,直到碰到障礙物,例如回到你的手上或是掉在地上。物件上升和下降的速度,視乎你所在的位置的重力有多強,例如,月球上的重力只有地球上的六份之一(地球表面的重力加速度約9.8m/s²,月球表面的重力加速度約1.6m/s²),所以穿上全套厚實太空衣(約127公斤)的太空人能在月球上「彈跳」。

物件能到達的高度,則視乎你給了它多少能量,只要能量足夠讓物件向上加速,到超過你的所在地的逃逸速度,物件就能不掉下來。例如,在地球上的一個全壘打(擊球速度能達到160km/s,打擊角度約25°-30°),在月球上(逃逸速度=2.38km/s)就真的能「一去沒回頭」了。不過,把物件直接送走似乎沒甚麼用處,如果能把物件送上高空,讓它們在特定軌道圍著地球轉,就有用多了。

踏上軌道——給人造衛星選擇時地人事

常說香港地少人多,所以建築物向高發展,高樓大廈林立,以「石屎森林」國際聞名,而香港最高的建築物已由1973年的怡和大廈(0.1785公里)發展到2010年的環球貿易廣場(0.484公里)。香港的高層住宅,也是出名越高的樓層越貴,取其站得高望得遠。可是,把機器送上高空,要考慮的是要以哪個高度圍繞地球,和需不需要停留在特定地方上空,不一定是送得越高越好,飛得越快就越好的。

國際太空站就是以約330公里高的軌道圍繞地球運行,這個高度只到達大氣層中層(增溫層,離地面80至800公里),有時用肉眼也能見到(雖然只是個光點)。不少人造衛星也在相約高度的軌道上,稱為近地軌道(離地面約300至2000公里),包括通訊衛星和各種遙感(remote sensing)衛星,其中通訊衛星更要長期保持在相對地球同一點的位置上,稱為地球同步軌道。

進入預定軌道的物件會以地球為中心繼續運行,但亦需要定期補充動力和修正軌道,特別是近地軌道其實還是在大氣層裡,也會因空氣阻力而減速,若長期不理它們,不是變成太空垃圾,就是又掉下來了。

下一站宇宙──循環再用才是關鍵

如果要把人類送上去,又是另一個故事。人類能踏足離地球最遠的地方只是月球,而且只是登陸在面對地球的一面而已。自美國太空總署的阿波羅計劃在1972年完結,人類對太空的探索轉向無人化,接著派出探測器登陸火星,再次飛越木星,探訪冥王星,也將會在2021年發射新一代的太空望遠鏡(詹姆斯.韋伯太空望遠鏡)。

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與傳統火箭不同,未來的火箭設計傾向小型和可循環再用,其中包括能垂直升降的設計。

當然,人類並沒有放棄踏足太空的夢想,美國太空總署正在研發新一代的載人火箭。對一眾太空總署的科學家來說,本文前段提及的各種物理參數與軌道選擇都不算是大問題,根據著名的齊奧爾科夫斯基火箭方程(Tsiolkovsky rocket equation,被發表了約一百年), 人類已發展出各種火箭,務求以最少的燃料產生最大的動力,把最大的質量加速到超過逃逸速度,到達計算好的軌道和航道;火箭由燃燒固體燃料到轉用液態燃料,再到使用液態氫和液態氧;由一支整體的火箭,到現在大家都知道的分段式火箭;然而,卻始終未能解決最重要的問題 ──萬惡的金錢。

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科學家以火箭模型解釋燃燒和火箭發射的關係。

現在人類在太空任務中使用的火箭,絕大部份的質量是在升空後,就注定要跌回大氣層燒毀,可說是「一將功成萬骨枯」,所以每次發射都成本不斐。而且,這些火箭都是「巨無霸」,不論是建造火箭本體的材料、發射台、燃料份量等都需要「加大碼」,根本不可能做到經常發射,更不是一般民間或商業機構能負擔得起。於是,終於有人想到,火箭一定要做得這麼大嗎?

近代的研究產業,只要有商業需求,就能支撐產業的持續發展(就像電腦晶片和電動遊戲的關係),而太空旅遊這個願景,就足夠吸引投資者和新一代的探險家,一旦拋棄火箭就是一支大型金屬的「執念」,發表小型而又可循環再用的設計的公司就越來越多,也開始出現利用這些小型火箭作其他商業用途的各種計劃。

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在官方太空探索機構以外,私人企業家亦表達了對參與未來太空探索的熱情。
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美國太空總署亦與私人公司合作,研發新一代行星探測器的攜帶和降落裝置。

一百年後,也許來回月球和火星就像現在乘飛機來回各大洲一樣簡單,也許去木星看大紅斑就像現在去看北極光般平常,也許我們都能擁有一顆屬於自己的人造衛星。人類的壽命雖然有限,但想像力可以帶領我們走到無限的未來。願大家平安,共勉之。

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不少民間企業也加入了這新一代的「太空競賽」,以太空旅遊作招徠。

今集《零距離科學》,將會和大家講解火箭方程,解構美國太空總署新研發的載人火箭,還可以看看各種小型火箭的設計,不要錯過!

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播映。本集於2月7日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Kayue