分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

把我送上小行星!-《世界第一好懂的科學課》

這真的是世界第一好懂的科學課

你可能會大失所望,火箭之所以能飛上天,原理其實真的非常簡單。首先,你要有負載物,也就是那些你想送上太空的東西,接著,你需要一個由燃燒室與噴射口構成的引擎。我們從牛頓第三定律-作用力等於反作用力得知,如果引擎點燃燃料後施力在一大堆熱氣上,那麼那堆熱氣也會施力在引擎上;只要來自熱氣的力大於火箭的重量,火箭就會開始加速,並從發射台上升空。

牛頓萬有引力定律告訴我們,一旦火箭進入繞行地球的軌道,便會持續保持在橢圓形軌道上,不需要我們額外給任何動力。最後,根據牛頓第一定律,任何逃脫地球重力場的太空船,都將以等速率飛向外太空。

0010630550一般噴射機可以從大氣吸進大量氧氣來助燃,但火箭卻必須自己攜帶氧氣。若使用固體燃料,氧氣由固態化學物質,例如APCP的高氯酸銨或炸藥中的硝酸鹽提供;若用液態燃料,煤油和液態氧則是各裝一個儲槽,再由幫浦送去點燃。一般來說,如果出了什麼可怕的錯誤,採用液態推進劑的助推器可以叫停,所以比點燃後停不下來的固體推進劑安全一點。不論是哪種,火箭都能夠持續燃燒燃料,就算已經離開大氣層也一樣。

大多數人以為從地球到月球的一路上需要持續燃燒燃料,其實不必。首先,你燃燒掉大部分的燃料來讓自己上到低軌道。在那裏準備轉換到月球的重力場,此時,稍微燃燒一些燃料就能讓你進入一個相當大的橢圓形軌道,地球和月球分屬兩端;在阿波羅計畫中,這過程稱為「月球轉移軌道射入」(Trans-Lunar Injection)。

你到達月球後,會再短暫燃燒燃料讓自己慢下來,然後進入圓形的停泊軌道,並從那裡派登月小艇下到月球表面。之後當每個人都安全回到太空艙後,再次燃燒燃料可以讓你進入另一個相當大的橢圓形軌道,把你送到地球大氣層的邊緣;進入大氣層的角度不能太淺,以免又從大氣層彈回外太空。接著,你就等著安全掉進海裡了。

當然,地球和月球都不是標準的球形,而且你還需要考慮太陽的重力,所以要在計算中做一些修正,才能讓一切都上軌道。總之,牛頓的三大運動定律以及萬有引力定律是我們的數學工具,幾乎可以用來計算每樣與登月相關的重要事項:需要多大的力才能讓火箭升空?需要多少燃料?要在哪裡發射火箭?它會在月球的哪個準確地點降落?太空船重新進入地球的大氣層後,會掉在哪個地方?

沒錯,你已經達成任務了;接下來我們來了解人類建造過最棒的火箭吧—農神五號。

火箭人

1960 年代登月競賽如火如荼進行時,不管你怎麼去包裝,蘇俄與美國的太空計畫說穿了就是:把二次大戰時納粹研發出來、性能超優異的V2火箭,改裝成彈道飛彈,只不過彈頭裡不是放炸藥,而是幾個太空人。1945 年春天德國戰敗後,美蘇想盡辦法要搶到V2火箭;美國得到了V2的設計者馮布朗(Wernher von Braun, 1912-1977)。蘇俄拿到了火箭,由自己的火箭設計專家—科羅里夫(Sergei Korolev, 1907-1966),從V2火箭上所得到的知識,成功建造了第一枚多節火箭R-7,並且在1957 年10 月4日利用它發射了人造衛星旅伴號,為美蘇太空競賽鳴槍起跑。

R-7 有兩節火箭,都是燃燒煤油與液態氧。分節是火箭設計上的重要發明,一部分原因是,你可以把不必要的質量丟棄;另一部分原因是,最後幾節的燃料幫浦系統可以設計成專門在外太空的真空中(而非在有大氣壓力的狀況下)運作。

美國人對旅伴號的回應是成立NASA ,並且派馮布朗主導設計一枚足以跟R-7 抗衡的火箭。他發明的火箭系列統稱為「農神」,把我們送上月球的就是農神五號。

農神五號共有三節,第一節由五具巨大的F-1引擎構成,在燃燒煤油與液態氧兩分鐘後被丟棄時,已經把火箭送到約65公里的高空。第二節火箭裝載了五具J-2引擎,燃燒液態氫與氧約六分鐘,就可以把火箭帶到距地表約200公里的高空。第三節是由另一具燃燒氫與氧的J-2引擎構成的,燃燒約兩分鐘後,把農神五號送進圓形的低軌道,接著火箭會暫時停止燃燒燃料,讓太空人得以調整一下呼吸,然後再次點火,燃燒約五分鐘,把火箭送上通往月球的軌道。

那麼俄國人呢?很可惜,科羅里夫用來回應農神五號的火箭N-1,一直卡在測試階段。1966 年他的逝去是重要原因,另外,他設計的火箭過於複雜也是原因之一。直立起來只比農神五號少幾公尺的N-1 火箭同樣是由三節構成,但光是第一節就有超過三十個引擎。四次測試發射都以失敗收場,相較之下美國人在1969 年7 月後卻一次又一次登上月球,俄國人實際上已經輸掉這場太空競賽了。

登月明證

這一切要從水星計畫談起,當時他們已經有辦法每次把一位太空人送上低軌道繞行地球。接下來發展在外太空駐留技術的雙子星計畫,一來鞏固了水星計畫的成果,二來進一步聚焦成更重要的阿波羅登月計畫。

阿波羅計畫先是把月球引力當做彈弓,讓阿波羅八號從月球身旁盪過再彈回來;然後才終於在1969 年7 月20日利用阿波羅十一號,把第一架登月小艇送上月球。在

六次登月任務中,美國太空人都會把電視畫面傳回地球、拍照、採集岩石標本,甚至在月球表面架設反射鏡,我們到現在都還經常發射雷射光到這些反射鏡上,以便測量它們到地球的距離。

然而,至今仍有傳言說人類並沒有登上月球,為什麼?其中一個原因是,在阿波羅十七號之後,我們就沒再回去月球。經過一段時間後,整件事感覺上就開始變得不真實。

另外,水門事件緊接在登月任務後爆發,而事件主角正好就是在多次彩帶慶功遊行中與太空人握手的那位總統,這起案件讓大眾對美國政府及其所屬組織(例如NASA)失去信心。另一個原因是共用閘道介面(CGI)的出現。

對1969 年那些觀看電視實況轉播的觀眾來說,一切都是眼見為憑,但是今天觀眾的觀念卻是:圖像只不過是可以隨意操弄的一堆數字罷了。

讓我們用科學的角度來解釋這些登月陰謀論的疑惑吧。如果阿姆斯壯是第一個登陸月球的人,那麼誰拿相機拍他?沒人,而是架在登月小艇外的相機。如果NASA狡滑到捏造出整起登月事件,那麼他們會粗心到派攝影師到登月小艇外,拍攝阿姆斯壯走下登月小艇的照片嗎?難道大導演史丹利.庫伯利克(如果他真的是這段影片的導演)不會想到這點嗎?

在太空人的照片中看不到星星,是因為登陸時間是安排在月球的白天,有陽光照射在月球表面。照片的曝光度是配合月球上的陽光,而不是配合昏暗得多的星象。如果登月事件是NASA捏造的,那麼忘記把星星放進背景裡,NASA就該檢討了。你可以在某些影片中看到旗子在飄動,但月球上不是沒有風嗎?這沒什麼好奇怪的,因為從牛頓第一定律我們已經得知,除非有力作用在東西身上,不然它喜歡安分的保持等速運動。月球上沒有空氣來減緩旗子的運動,所以即使它一時糾結成一團,之後還是會繼續動起來的。拜託,就不要覺得連月球上的隕石也是NASA假造的了吧……

近距離接觸

所以1969 年7 月20 日是我們第一次冒險離開自己居住的行星,踏上最近的鄰居—月球。我們即將看到,在未來的幾十年裡,還會有其他太空探險行動,我們會先再次造訪月球,然後可能去登陸一顆小行星,然後肯定會再旅行到火星及更遠的星球上。那麼,有什麼東西等著我們去發現?在太陽系的其他行星上有生命嗎?銀河系中有其他文明嗎?在可觀測宇宙的更遙遠之處又如何?在直徑長達九百三十億光年的那一團黑暗之中有其他生命嗎?

老實說,當我們自問「冒險離開地球軌道,到太陽系或更遠的地方探索,會發現什麼東西」時,心中絕對不是只想到可能帶回什麼樣的石頭。我們心中的圖像應該是比較類似「星艦迷航記」裡的情況:從一個星系巡航到另一個星系,把智慧傳給那些看起來很像人類、穿著清涼太空裝的外星人。

但是我們有什麼證據支持外星人存在?他們會長什麼樣?像克林貢人還是博格人?現在我們可以來問科學界最發人深省的問題之一,這個著名問題是義大利物理學家費米(Enrico Fermi, 1901-1954)提出的:「大家都到哪去了?」

本文摘自《世界第一好懂的科學課》,天下文化出版社出版。

關於作者

PanSci

PanSci的管理者通用帳號,也會用來發表投稿文章跟活動訊息喔。