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為何這次 Falcon 9 發射升空,會產生像 UFO 的特殊形狀?

活躍星系核_96
・2018/01/11 ・1601字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 573 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 作者 /成大地球科學系林建宏教授、沈明學、陳柏成

美國時間2017年12月22日傍晚五點(台灣時間12月23日上午十點),SpaceX 於加州范登堡空軍基地發射獵鷹火箭(Falcon 9)執行第四次銥衛星(Iridium Communications Inc.)任務時,在加州上空產生絢麗的水母型波包,引起了不少的騷動!

很多初次見到的人被嚇壞了,以為是外星人來訪,短時間內就有至少130通電話打到911報警;許多人甚至將拍攝到的影片傳到社群媒體(Facebook, Twitter, IG),引起熱烈的討論。SpaceX 的創辦人Elon Musk也注意到了,並他在Twitter回覆說:「如果大家喜歡今晚的發射,那麼一定會喜歡一月份即將到來的重型獵鷹 (Falcon heavy)發射。」

大家對於獵鷹火箭應該不陌生,像是今年8月臺灣首枚自主衛星——福衛五號便是藉由該火箭送上太空。但有趣的是,范登堡基地迄今已發射將近2000次火箭,特別是 SpaceX 在此包括福衛五號任務已發射接近20次任務,為何唯獨此次引起如此大的騷動?

洛杉磯市區看到火箭發射產生的絢麗火箭波(取自 LA Times 與 Danny United Twitter)。

其中夜間發射是一大關鍵,而這必須在日落後的1~2小時內!火箭燃料燃燒噴出後會殘留水氣,遇到高空大氣溫度陡降,便會凝結成冰晶;由於地表日落不久,高空中仍有些許太陽光經過冰晶反射,可以產生各種不同光芒的折射,讓地面上的人們看到光亮的火箭波。隨著火箭高度升高,周遭大氣密度降低,凝結尾逐漸擴張。

緊接著在到達70~80公里高度後,第一節火箭脫離準備返回,第二節火箭點火繼續向上,此時火箭的燃燒尾氣擴散後,形成有如子彈頭形狀的超音速尾氣爆震波。同時由於SpaceX 讓脫離的第一節火箭點火進行姿態控制返回地球,其中第一節火箭點火也產生小型的音爆震波,形成大型的尾氣爆震波中,包含小型點火爆震波的特殊景觀。

第一節火箭脫離回返、第二節火箭點火,圖中可見火箭尾氣噴出的大型爆震波(左邊亮點開始的整個大波包),以及第一節火箭點火控制姿態返回地球也產生小型點火爆震波於中央小點(擷取自 Physics-Astronomy.com)。

這時回過頭來看較低高度的凝結尾(contrail),會發現其很神奇的呈現扭曲的蛇形,理由在於大氣風切(Wind shear)所產生。順帶一提的是,一般科學家觀測高層大氣風場的方法之一便是發射火箭,再經由火箭釋出的可發光氣體,觀測其被風場拖曳所造成的變形,進而了解高層大氣風場的風向與速度。

火箭在較低高度產生如飛機凝結尾拖曳,到達較大高度後則開始擴張、並產生火箭引擎釋放的超音速尾氣爆震波 (取自 Danny Sullivan Twitter) 。
2013 年8月4日清晨日本沖繩上空發射H2B火箭產生的凝結尾受大氣風切影響產生蛇形拖曳,擷取自fuuchiba@Youtube

此次事件因為引起了廣泛討論,有網友找出1937年加拿大溫哥華市政廳上空拍到的 「UFO 」 照片,恰巧產生的現象與此次事件一樣,顯見這可能是當時發射火箭造成。但神奇的是,人類第一次發射人造衛星是 20年後的1957 年,1937 年德國科學家才剛開始發展出 V2 火箭,因此北美並沒有這樣的火箭可以產生如此波動,所以是外星人在地球上空發射火箭?還是流星、彗星飛進地球?就有待進一步探討了!

1937 年溫哥華新建市政廳上空拍到如此次火箭發射之超音速音爆波動,摘自ufobc
  • 發射過程可以參考這支影片:
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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國際太空站與它的繼承者們——淺談近地軌道商業服務的歷史
EASY天文地科小站_96
・2022/02/17 ・3898字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 文/林彥興|EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生,努力在陰溝中仰望繁星

2021 年底,美國政府宣布再次延長國際太空站(ISS)的服役年限,讓它繼續運作到 2030 年,續寫這座人類史上最大人造衛星的傳奇。與此同時,NASA 的「商業近地軌道太空站」(Commercial Leo Destinations, CLD)也正如火如荼地展開,旨在創造多元而蓬勃的近地軌道經濟圈。

舉世唯一的微重力實驗室:國際太空站

國際太空站絕對夠格問鼎當代最偉大的工程奇蹟之一。由美國、俄羅斯、日本、歐洲與加拿大共同打造,ISS 的質量約 450 公噸,大小相當於一座美式足球場,是歷史上最大最重的人造衛星,二十多年來以約 7.6 km/s 的高速,在 400 多公里高的近地軌道上繞行地球。太空站上常駐約 7 名左右的太空人,負責維護太空站的運作,並且在這獨一無二的微重力環境下,進行各式各樣的科學研究。

2021 年 12 月 9 日,從載人版天龍號太空船(Crew Dragon)拍攝的國際太空站。圖/NASA Johnson

這樣一個龐然大物,世界上沒有任何一款火箭有辦法一次就把它送上軌道。因此 ISS 的建造,是一次一個地把艙段發射到軌道上,然後讓它在茫茫太空中,精準地與之前發射的其他艙段對接,像拼樂高一樣,一步一步地把整個太空站組裝起來。從 1998 年到 2011 年,多國團隊一共花了 13 年的時間、31 次發射,才完成 ISS 的建造。

國際太空站從 1998 至 2011 的主要組裝過程縮時。整體而言 ISS 自 2011 之後並沒有太多大規模的改動,但仍有新增新的艙段(如 BEAM、Nauka、Prichal)、更換電池(如 HTV-6 帶上去的鋰離子電池)與太陽能板(如 iROSA)等設備。影/YouTube

然而,光是「建造」太空站是不夠的,為了維持太空站的運作,太空站上必須要有太空人常駐,因此每隔幾個月,多國團隊就得發射載人任務,把新一批太空人送上太空站,並讓前一批太空站上的太空人返回地球。同時,為確保這些太空人能在太空正常生活,它們還得更頻繁地發射無人貨運太空船,為太空人帶來食物、水、維修零件等資源。

截至 2021 年底,已發射了超過 66 批「遠征隊」(expeditions)輪班駐守 ISS,並且發射 144 趟無人貨運任務。每一趟任務背後,都要耗費數億美金的火箭發射成本,及數百噸的火箭推進劑。再加上太空人的訓練、基礎設施建造、早期的研究與試驗、多國間的協調合作……等等,這個計畫的規模之宏大可見一斑。

自由市場的力量:商業補給與運載服務

國際太空站的建造與運作是如此的昂貴,即使是全世界資源最豐富的太空機構:NASA,要長年維持它的運作也顯得力不從心。

其中一個重要的原因,在於 NASA 當年用於運補國際太空站的主力——太空梭(STS)。太空梭不僅操作危險,成本也非常昂貴。面對這種情況,NASA 想到:「也許我們可以從最簡單運送補給物資開始,培養一批民間太空公司,等它們的成長茁壯之後,就可以把這些「日常瑣事」外包出去給它們做。」

在自由市場的競爭壓力下,這些民間太空公司自然會拚命地找出效率最高的辦法達成目標。如此一來,NASA 省了錢,又培育了國內的航太科技實力,豈不是一舉兩得?

於是,2006 年,NASA 啟動了「商業軌道運輸服務」(COTS)計畫,讓民間太空公司在 NASA 專業人員的幫助之下,自行設計一套火箭與太空船參與競爭。

每達到一個 NASA 設定的里程碑,就可以拿到相當可觀的資助,進行下一階段的開發,由此一步一步地完成整套系統的開發。經過激烈的競爭,最終由老牌太空公司「軌道科學」(Orbital Science)與當時的新創太空公司 SpaceX 奪下勝利,取得「商業補給服務」(CRS)合約。時至今日,雙方的「天鵝座」(Cygnus)與「天龍號」(Dragon)系列貨運太空船,仍是補給國際太空站的主力。

SpaceX 的 Cargo Dragon 2 太空船(左)與 NG 的 Cygnus 太空船(右)是如今 ISS 補給任務的兩大主力。嚴格來說,這兩艘太空船和其搭配的火箭已經改良多次,與 2008 年奪得 CRS 合約時的設計早已大不相同。Orbital Science 在 2015 年與 Alliant Techsystems 合併為 Orbital ATK,又在 2018 年被諾斯洛普.格魯曼(NG)買下。科技產品與市場環境的高速變化,有時候實在是讓筆者很難一句話把事情講清楚。圖/NASANASA

有了 CRS 的成功經驗,NASA 決定打鐵趁熱,在 2011 年啟動「商業載人服務」(CCP),讓商業太空公司負責難度更高的載人太空飛行任務。

經過多年競爭,這次脫穎而出奪得合約的是 SpaceX 與波音兩家公司。然而,命途多舛的波音「CST-100 星際航線」(Starliner)太空船頻頻發生問題,至今(2022 年 2 月)仍未成功執行任務。另一邊,SpaceX 的「載人版天龍號太空船 Crew Dragon」太空船則相對順利得多,不僅已經 4 度成功把太空人送上 ISS,更將 Crew Dragon 用於太空旅遊,在「靈感 4 號」(Inspiration 4)任務中讓 4 位民間太空人體會了 3 天的軌道飛行,並且未來還會執行更多類似任務。讓我們看到這些為政府機構打造的太空船,其實有著巨大的商業潛力。

朝陽下,裝載於獵鷹九號火箭頂端等待發射的 Crew Dragon。圖/SpaceX
比起太空梭等上個世紀設計的太空船,Crew Dragon 的控制面板採用大面積的觸控螢幕,整體設計簡約而現代。圖/SpaceX

商業近地軌道太空站:打造蓬勃的近地軌道經濟圈

時光飛逝,歲月如梭,國際太空站轉眼間已經服役超過 20 年。整體而言,太空站的狀態還算良好,但是大大小小的故障仍時有耳聞。因此,即使美國政府宣布讓 ISS 持續服役到 2030 年,尋找國際太空站的接班人仍是刻不容緩。

對此,NASA 故技重施,啟動了「商業近地軌道太空站」(Commercial Leo Destinations, CLD)計畫。這次不只運貨、載人,而是要讓商業太空公司自行設計、建造與運營商業太空站。經過第一階段的評選,目前有 3 組團隊獲選,它們分別是:

  1. Orbital Reef,此為藍色起源(Blue Origin)與內華達太空公司(Sierra Space)、波音、Redwire Space、Genesis Engineering Solutions 等多家公司組成的聯合團隊所提出的方案。它擁有大直徑的艙段、大直徑的對接口,能夠支持 6 名太空人的生活,無論是技術或是商業規劃上都相當有野心。
  1. Starlab,此為 Nanoracks、Voyager Space 和洛克希德·馬丁(Lockheed Martin)組成的聯合團隊提出的方案,特色是使用了一個巨大的充氣式艙段,讓整座太空站只需發射一次就能進入軌道,不需要多次發射再對接。
  1. 第三個是諾斯洛普.格魯曼提出的太空站計畫,不過它目前還沒有一個閃亮的名字。相較於上述 2 項方案,諾斯洛普的計畫就顯得相當中規中矩。它們使用了大量現成的技術以降低開發風險,避免計畫延宕,但就顯得缺乏亮點,商業計畫也相對不被 NASA 看好。

最後,當廠商們的技術發展成熟(預計是在 2025 年以後),NASA 就會從指導者變成客戶,付錢購買廠商們的服務。除了角逐 CLD 計畫的 3 個團隊之外,還有另一組人馬——Axiom Space,也是商業太空站大賽的選手之一。比起剛剛起步的 CLD 三家,Axiom Space 不僅已經拿到 NASA 的合約,而且太空站怎麼建造也都已經有了相當完整的規劃。若進展順利,應該會成為第一個成功入軌的商業太空站。

Axiom Space 的太空站建造動畫。多個艙段將首先被安裝在 ISS 上,直到最後整個太空站建成之後,再脫離成為獨立的商業太空站。影/Axiom Space

蓬勃發展的近地軌道經濟圈

國際太空站是 21 世紀初人類的太空技術結晶,是世界各國耗時 13 年、斥資上千億美金完成的偉大工程。然而時過境遷,這座龐然大物逐漸顯露疲態。值得慶幸的是,得益於 15 年來商業太空領域的高速發展,民間太空公司已經一步步掌握火箭、貨運、載人太空船,乃至於太空站的開發與運營技術,讓太空不再是政府機關的專利,也讓 ISS 不怕後繼無人。

隨著資源與人力的不斷投入,一個生機勃勃的近地軌道經濟圈,也許並沒有我們想像的那麼遙遠!

參考資料與延伸閱讀

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EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事

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什麼是「可變性原則」?它如何讓 SpaceX 一飛沖天?——《造局者:思考框架的威力》
天下文化_96
・2021/10/02 ・2256字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 作者/庫基耶(Kenneth Cukier)、麥爾荀伯格(Viktor Mayer-Schönberger)、德菲爾利科德(Francis de Véricourt)
  • 譯者/林俊宏

企業家伊隆.馬斯克(Elon Musk)於 2002 年創辦 SpaceX,為達成火星殖民的目標,開發一系列火箭和太空船,甚至領先世界各國航太技術,享譽全球。到底是什麼樣的思維模式,造就 SpaceX 這般豐功偉業呢?答案就藏在《造局者》這本書中,趕快來搶先閱讀吧!

「思考框架」三大原則:可變性原則

馬斯克(Elon Musk)創辦的 SpaceX,就是一家把可變性原則應用得爐火純青的企業。SpaceX 是研發可回收火箭的先驅。可回收火箭一直是航太工程師的夢想,也是科幻小說裡的常見載具。但在 1960 年代和 1970 年代,航太總署(NASA)科學家的想法是讓火箭加上機翼,如此一來,就能在返回地球之後,像飛機一樣著陸。當時所假設的限制條件是「火箭的回歸需要靠空氣動力學的升力」。這種想法也就催生了外形類似飛機的太空梭—後來更催生了懸掛式滑翔機,相關技術是由航太總署的工程師羅加洛(Francis Rogallo)於 1960 年前後發明,起初,是做為將太空艙帶回地球的方式。

然而,這些機翼巨大而沉重,空氣動力學的升力大小,又得視機翼的尺寸而定。機翼愈大,雖然升力也愈大,但在發射時,也會增加重量、體積和阻力。考量到這一切限制後,最後的太空梭系統是個有問題的折衷方案,需要有一個附加在外的巨大油箱,只能使用一次,而且太空梭主體的滑翔能力也相當有限。航太總署受限於空氣動力學升力的條件下,也就只能想像出很傳統的機翼與降落傘的設計,並相應帶來了所有缺點。

相較之下,由於各種創新突破(特別是在感測器與運算能力方面),SpaceX 的想像不再限於空氣動力學的升力。雖然也效仿航太總署,以減緩火箭的下降速度為目標,但是 SpaceX 改了方法,希望能重新點燃第一節火箭的發動機,採直立方式降落。SpaceX 的想法是:別再管空氣動力學的升力了,就靠火箭的動力吧!這件事的大膽之處在於需要重新點燃引擎,也得保留足夠的燃料,來減緩火箭下降的速度(而且燃料很重,所以不能保留太多),並且還得有控制系統,以利穩定著陸過程。

太空梭本身的實體結構十分複雜,而 SpaceX 獵鷹火箭的第一節實體結構相對簡單,卻搭載了複雜得多的控制系統。而且,也是由於科技的進步,才能夠做到如此先進的控制。

祕訣在於:要瞭解哪些限制是可變的。雖然 SpaceX 也接受「火箭降回地球時必須減速」這項設定,但選擇了不同的處理方式—不是靠機翼,而是使用內建的火箭引擎。正因為 SpaceX 的工程師鬆開了其中一套可變的限制,才看到了新的可能,並研發出獵鷹系列的可回收火箭。

資料來源/SpaceX

可變性原則的優勢:幫助我們看到選項並採取行動

像 SpaceX 火箭控制系統這樣的科技革新,就可能讓過去無可改變的限制,擁有可變性(雖然科技本身也是思考框架的產物)。要選擇改變哪些限制的時候,根據可變性原則,應該要先挑出各種我們能夠影響的要素。如果希望反事實能發揮作用、讓夢想成真,該調整的並不是那些我們本來就該遵守的限制(例如:經理手頭的預算,或是主廚能運用的烹調時間),而是調整那些能透過行為或選擇而改變的限制。這樣一來,夢想成為現實的可能性也就更高。

可變性原則並不完美。對於哪些事情可變、哪些又不可變,我們可能會誤判。然而,這套原則有一個很大的優勢:能讓我們把推理的焦點,放在那些我們有能力影響、更改、或塑造的事物上,幫助我們看到選項,採取行動。像是要趕到城市另一邊開會,卻又快遲到的時候,我們只會認真考慮該搭地鐵還是計程車,而不會想像什麼很科幻的懸浮列車。對 SpaceX 來說,他們就是認真考慮該用怎樣的工程方案,以減緩下降速度。對以色列指揮官尚龍准將(Lt. Gen. Dan Shomron)來說,恩德培行動(Operation Entebbe)就是必須準備「遭遇烏干達部隊的阻撓時,該如何作戰」的方案,而不會打算在戰火正盛的時候,去說服對方棄械投誠。

我們常常認為人類的行動具備可變性,那是因為,就因果認知觀點來看,我們相信人類具有能動性,也就代表人類能控制自己的行動。同樣的,我們也相信人類的行為是會改變的,而且認為我們能夠形塑他人的行為與行動。我們的思考框架,就是會這樣關注著人們的各種行動,而這點是利而非弊。如果能注意有哪些限制條件是操縱在我們手中(也就是那些條件具備可變性),也就有助於我們找出調整起來最有利的限制。

實驗中,研究人員發現了一種有趣的小麻煩。我們或許以為人類的活動有很大的彈性空間,但在做反事實思考的時候,你想像得到的行為改變,多半都還是落在多數人所接受的社會規範以內。像是開會要遲到了,但等計程車的人大排長龍,這時候,我們或許比較會想到掏出手機,改叫 Uber,而比較不會想到要直接插隊到最前面。

當然,至少在原則上,社會規範是能夠改變的,而且確實也會隨著時間慢慢改變。但在我們的反事實心理實驗室裡,那些反事實卻常常受到約束,我們常會覺得規範都是固定不變的,而且自己無力改變。原因可能出自人類的社交本質:為了合群,就會讓我們不去想像那些會讓自己遭到排斥的行為。於是,我們還是乖乖排隊等計程車。

——本文摘自《 造局者:思考框架的威力 》,2021 年 7 月,天下文化

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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來回票價5500萬美元!?史上最昂貴旅遊團——「太空旅遊」的過去與未來
黃 正中_96
・2021/08/29 ・4536字 ・閱讀時間約 9 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

太空旅遊的歷史,始自1984年

太空旅遊最近熱門起來,依照現有技術發展,有幾種不同類型太空旅遊常被人們提起,包括次軌道1、太空軌道和月球太空旅遊。

各國太空計畫通常由政府編列預算,因此能夠獲選為太空人都是太空總署雇員或軍方身分,沒有民間或是個人能夠參加。這種情況在 1984 年被打破了,第一位民間太空人查理.沃克(Charles D. Walker)2,他服務於美國麥克唐納道格拉斯公司(McDonnell Douglas)公司,帶著所研發的「太空中蛋白質晶體生長」酬載,搭乘太空梭進行太空科學實驗,當時麥道公司花費了約今天 9 萬美金的費用給美國太空總署。

第一位民間太空人查理.沃克(Charles D. Walker)在 NASA 的肖像。圖/維基百科

在 1985 年美國太空總署提出「太空飛行參與者計畫」邀請民眾參加,海選出高中老師 Christa McAuliffe 參加太空飛行;她計畫在太空中進行基礎科學實驗並教授兩堂課,不幸在挑戰者號太空梭爆炸災難中喪生,停止了民間參加太空計畫。

美國太空梭任務停止之後,1998 年國際太空站的第一個組件曙光號進入太空軌道,隨後團結號太空艙升空與曙光號連接,2000 年星辰號太空艙加入國際太空站;2000 年 11 月太空人第一次登上國際太空站。

在 2001 年美國政府同意民間發展「太空旅遊」,美國的太空探險公司(Space Adventures)與俄羅斯航天公司(Roscosmos)和科羅廖夫能源火箭公司(RSC Energia)合作,推出國際太空站的太空旅遊。前後有七名太空遊客乘坐俄羅斯聯盟號所搭載的太空船,進行了八次前往國際太空站太空飛行,每次旅行的公開價格在美金 2,000 到 2,500 萬元之間。但是後來美國太空總署宣布,從 2020 年開始規劃只能使用 SpaceX 公司的龍(Dragon)太空船和波音公司的星際客機(Starliner)太空船提供民間太空人飛行前往國際太空站,往返的費用估計為美金 5,500 萬美元。

什麼是次軌道太空旅遊?

太空旅遊花費 5 千萬美金,將民眾載到國際太空站費用還是太高,次軌道太空旅遊的優點,由民眾在太空觀察地球,體驗無重力環境,從地面發射太空飛行器直接進入軌道,不拋棄燃料箱、發動機或其他主要部件,屬於可重複使用發射系統的一種,費用可以大幅降低,缺點是旅遊行程時間太短。

經過數年的準備,維珍銀河(Virgin Galactic)以及藍色起源(Blue Origin)公司分別在今年 7 月,完成了商用次軌道太空旅遊示範。

(左) 維珍銀河團結號。圖/Virgin Galactic;(右) 藍色起源新謝帕德號。圖/Blue Origin

太空旅遊有多貴?真的不如不要問……

維珍銀河公開太空邊緣機票價格為 25 萬美元以及一件太空衣贈品,聲稱已經有 600 位民眾預約。Blue Origin 第一次飛行提出可以和亞馬遜創辦人傑夫.貝佐斯(Jeff Bezos)共乘火箭,因為名額有限採取競標機票,最後價格炒高到 2 千 8 百萬美元,但是出發前最高得標者以行程衝突理由退出,由競標次高者接替,價格並未公布。

除此之外,SpaceX 公司亦積極規劃太空旅遊,旗下的龍太空船,每趟可以搭乘 7 名太空人,每一次飛行到國際太空站的價格為 5 千 5 百萬美金。美國太空總署購買這些航班的座位,但不一定每次發射時都坐滿所有座位,因此允許 SpaceX 公司將這些座位出售給遊客,以減輕太空計畫費用。

維珍銀河的發射方式

維珍銀河的次軌道太空旅遊,採取空中發射(Air-Launch)的方式,不需要大量燃料即可到達太空;維珍銀河太空旅遊由一架名為白騎士二號的飛機從跑道起飛,飛行到 25 公里高度,在空中太空艙與白騎士二號飛機分離,隨後啟動太空船火箭引擎,以 3 馬赫的速度飛向太空。

2008 年維珍銀河公司完成首次次軌道太空飛行測試,但是在 2014 年 VSS Enterprise 太空船的第四次火箭動力試飛,發生太空船解體災難,調查結果因為人員訓練不足,過早地解鎖可移動尾部空氣製動系統。2016 年推出新設計的 VSS Unity 太空船, 經過六次動力試飛,2019 年首次搭載三名飛行員飛行高度達到 89 公里,根據美國對太空邊界的定義首次到達外層太空。

2021 年 7 月,維珍銀河公司由創始人和其他三名員工為乘客,乘坐太空飛機抵達 86公里高的次軌道太空,完成人類首次太空旅遊示範;規劃再完成另外兩次試飛後,於 2022 年提供定期服務付費客運太空旅行航班。

Virgin Galactic’s First Fully Crewed Spaceflight #Unity22。影/
Virgin Galactic

藍色起源3的發射方式

藍色起源公司在 2012 年之前開始開發軌道載人太空船系統,利用可重複使用的運載火箭進入太空,聲稱成本更低且更可靠。用於進入次軌道和軌道太空的火箭動力垂直起降(VTVL)的 New Shepard 飛行器,多次試飛中,該無人駕駛飛行器都達到了超過 100 公里的卡門線測試高度,並達到了超過 3 馬赫(3,675 公里/小時)的最高速度,太空艙及其火箭 助推器成功著陸。

藍色起源太空船引擎和與聯合發射聯盟(United Launch Alliance, ULA)公司合作開發,名為 Blue Origin 4(BE-4)太空船引擎使用液態氧和甲烷(LOX / Methane)燃料,因此藍色起源公司聲稱自家開發的行程是「最環保的太空旅行」。

Replay – New Shepard First Human Flight。影/Blue Origin

駛向國際太空站的民間太空船有哪些?

美國太空總署於 2011 年提出國際太空站的商業機組人員計畫(Commercial Crew Program),由民間競標獎金為 42 億美元。最後選出 SpaceX 公司的龍太空船(Dragon)以及波音公司的星際客機(Starliner)太空船參加計畫。

SpaceX 公司已經完成 2 次運送太空人抵達國際太空站,至於波音公司規劃在8月發射的星際客機,延期發射主要的原因是在發射台進行發射前檢測時,才發現推進系統閥門有問題必須修復,導致星際客機升空將會大幅延遲幾個月。

SpaceX 公司——龍太空船

SpaceX 公司的龍二號太空船4設計能夠運送 7 名太空人以及貨運補給,到今年 7 月為止的的總飛行次數達 27 次,其中有 2 次測試飛行,有 25 次底達國際太空站,運送了 6 位太空人以及補給貨物。目前 SpaceX 正在規劃太空旅遊,將很快進入旅遊市場,目前 SpaceX 也積極規劃中。

龍二號太空船(右圖)與其技術參數(左表)。圖/SpaceX

龍二號太空船配備了 16 個德拉科(Draco)推進器,用於在任務期間為太空船定位,包括遠地點 / 近地點機動、軌道調整和姿態控制。每個德拉科推進器都能夠在太空真空中產生 40.8 公斤的推力。

波音公司——星際客機5

波音公司的星際客機(CST-100 Starliner)目前正在準備第一次沒有載人前往國際太空站測試。星際客機最多可容納 7 人,設計目的是能夠在軌道上停留長達 7 個月,並可重複使用多達 10 次任務。2019 年第一次軌道測試,發現軟體錯誤導致姿態控制推進器消耗的燃料比計劃的多,從而無法與國際太空站對接。原本預計 2020 年發射但是,第二次軌道飛行試驗發現軟體問題,改善之後原先預計 8 月會執行沒有載人到太空站測試,但是最近俄羅斯「Nauka科學號」太空艙發生問題,導致星際客機升空延期。

CCST-100 模型與最初挑選的前兩次任務成員合影。從左到右:Sunita Williams,Josh Cassada,Eric Boe,Nicole Mann和Christopher Ferguson。圖/維基百科

太空旅遊恐促進全球暖化6

太空旅遊燃燒推進劑提供了將火箭發射到太空所需的能量,同時也會產生溫室氣體和空氣污染物。

藍色起源火箭使用液態氫和液態氧推進劑。維珍銀河 VSS Unity 使用 的混合推進劑由固體碳基燃料、羥基封端聚丁二烯(HTPB)和液體氧化劑一氧化二氮組成。SpaceX Falcon 系列可重複使用火箭將使用液態煤油和液態氧將龍太空艙送入軌道。

獵鷹 9 號將 60 顆 Starlink 衛星送入軌道。圖/SpaceX

燃燒 BE-3 推進劑會產生水蒸氣,而 VSS Unity 和 Falcon 燃料的燃燒會產生 CO₂、煙灰和水蒸氣。VSS Unity 使用的氮基氧化劑還會產生氮氧化物,這些化合物會導致靠近地球的空氣污染。

大約三分之二的推進劑尾氣被釋放到平流層(12 公里 – 50 公里)和中間層(50 公里 – 85 公里),在那裡它可以持續至少兩到三年。發射和再入過程中的極高溫度也會將空氣中的穩定氮轉化為活性氮氧化物。

這些氣體和顆粒對大氣有許多負面影響。在平流層,水蒸氣分解形成的氮氧化物和化學物質將臭氧轉化為氧氣,耗盡保護地球生命免受有害紫外線輻射的臭氧層。水蒸氣還會產生平流層雲,為這種反應以比其他方式更快的速度發生提供​​表面。

太空旅遊蓬勃發展,導致大量排放的二氧化碳和煙灰到大氣中吸收熱量,導致全球變暖。大氣冷卻也可能發生,因為由排放的水蒸氣形成的雲將入射的陽光反射回太空。消耗殆盡的臭氧層也會吸收更少的入射陽光,從而減少平流層的熱量。

英國研究報告6,火箭在同一時期排放的氮氧化物是英國最大的熱電廠的四到十倍 。太空飛行中四名左右遊客的二氧化碳排放量將是長途飛行中每位乘客二氧化碳排放量的 50 到 100 倍。

太空旅遊的下一步,要挑戰太空移民7

2017 年 SpaceX 公司的創辦人伊隆.馬斯克(Elon Musk)在澳洲舉辦的國際太空會議(International Astronautical Congress, IAC),演講「讓生命成為多行星(Making Life Mulitiplanetary)」的太空移民概念,並在 90 分鐘內將其有效載荷運送到地球上的任何地方,擘劃人類的未來太空挑戰。

讓生命成為多行星。影/SpaceX

目前在美國德州的 Boca Chica 火箭發射場組裝星際太空船(Starship)已經到了最後發射前準備階段,太空船高度達 120 公尺,使用液態氧和甲烷作為燃料。這艘太空船可重複使用,能一次將多達 100 人或 100 噸的貨物送入太空。這一次測試將先測試人類第一次在地球上的「異地飛行」,從美國德州發射進入太空,進入太空軌道繞著地球,再返回大氣層降落到美國夏威夷艾島,成為實質上的異地「太空旅遊」,讓我們拭目以待。

外太空探索與科學創新計畫

外太空的環境充斥著太陽輻射或宇宙高能粒子,當太陽表面劇烈活動時,散發出來的輻射或電漿粒子,會造破壞衛星的功能,甚至有時候會威脅國際太空站的太空人的健康。

我國「第三期太空科技發展長程計畫」於2019年1月15日由行政院核定,「外太空探索與科學創新計畫」是規劃項目之一;目前國家太空中心的外太空探索,正規畫地球以及月球的科學探索議題。

參考資料

  1. 維基百科,〈Space Tourism
  2. National Space Society ,〈Charles D. Walker Biography
  3. 維基百科,〈United Launch Alliance
  4. SpaceX官網,〈Dragon
  5. 維基百科,〈Boeing Starliner
  6. 2020,Eloise Marais ,〈Space tourism: Rockets emit 100 times more CO2 per passenger than flights
  7. 維基百科,〈SpaceX星艦
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黃 正中_96
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國家實驗研究院國家太空中心研究員。勿忘對科學研究的熱情,勇敢築夢,實現夢想…...

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為何這次 Falcon 9 發射升空,會產生像 UFO 的特殊形狀?
活躍星系核_96
・2018/01/11 ・1601字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 573 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 作者 /成大地球科學系林建宏教授、沈明學、陳柏成

美國時間2017年12月22日傍晚五點(台灣時間12月23日上午十點),SpaceX 於加州范登堡空軍基地發射獵鷹火箭(Falcon 9)執行第四次銥衛星(Iridium Communications Inc.)任務時,在加州上空產生絢麗的水母型波包,引起了不少的騷動!

很多初次見到的人被嚇壞了,以為是外星人來訪,短時間內就有至少130通電話打到911報警;許多人甚至將拍攝到的影片傳到社群媒體(Facebook, Twitter, IG),引起熱烈的討論。SpaceX 的創辦人Elon Musk也注意到了,並他在Twitter回覆說:「如果大家喜歡今晚的發射,那麼一定會喜歡一月份即將到來的重型獵鷹 (Falcon heavy)發射。」

大家對於獵鷹火箭應該不陌生,像是今年8月臺灣首枚自主衛星——福衛五號便是藉由該火箭送上太空。但有趣的是,范登堡基地迄今已發射將近2000次火箭,特別是 SpaceX 在此包括福衛五號任務已發射接近20次任務,為何唯獨此次引起如此大的騷動?

洛杉磯市區看到火箭發射產生的絢麗火箭波(取自 LA Times 與 Danny United Twitter)。

其中夜間發射是一大關鍵,而這必須在日落後的1~2小時內!火箭燃料燃燒噴出後會殘留水氣,遇到高空大氣溫度陡降,便會凝結成冰晶;由於地表日落不久,高空中仍有些許太陽光經過冰晶反射,可以產生各種不同光芒的折射,讓地面上的人們看到光亮的火箭波。隨著火箭高度升高,周遭大氣密度降低,凝結尾逐漸擴張。

緊接著在到達70~80公里高度後,第一節火箭脫離準備返回,第二節火箭點火繼續向上,此時火箭的燃燒尾氣擴散後,形成有如子彈頭形狀的超音速尾氣爆震波。同時由於SpaceX 讓脫離的第一節火箭點火進行姿態控制返回地球,其中第一節火箭點火也產生小型的音爆震波,形成大型的尾氣爆震波中,包含小型點火爆震波的特殊景觀。

第一節火箭脫離回返、第二節火箭點火,圖中可見火箭尾氣噴出的大型爆震波(左邊亮點開始的整個大波包),以及第一節火箭點火控制姿態返回地球也產生小型點火爆震波於中央小點(擷取自 Physics-Astronomy.com)。

這時回過頭來看較低高度的凝結尾(contrail),會發現其很神奇的呈現扭曲的蛇形,理由在於大氣風切(Wind shear)所產生。順帶一提的是,一般科學家觀測高層大氣風場的方法之一便是發射火箭,再經由火箭釋出的可發光氣體,觀測其被風場拖曳所造成的變形,進而了解高層大氣風場的風向與速度。

火箭在較低高度產生如飛機凝結尾拖曳,到達較大高度後則開始擴張、並產生火箭引擎釋放的超音速尾氣爆震波 (取自 Danny Sullivan Twitter) 。

2013 年8月4日清晨日本沖繩上空發射H2B火箭產生的凝結尾受大氣風切影響產生蛇形拖曳,擷取自fuuchiba@Youtube

此次事件因為引起了廣泛討論,有網友找出1937年加拿大溫哥華市政廳上空拍到的 「UFO 」 照片,恰巧產生的現象與此次事件一樣,顯見這可能是當時發射火箭造成。但神奇的是,人類第一次發射人造衛星是 20年後的1957 年,1937 年德國科學家才剛開始發展出 V2 火箭,因此北美並沒有這樣的火箭可以產生如此波動,所以是外星人在地球上空發射火箭?還是流星、彗星飛進地球?就有待進一步探討了!

1937 年溫哥華新建市政廳上空拍到如此次火箭發射之超音速音爆波動,摘自ufobc

  • 發射過程可以參考這支影片:
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活躍星系核_96
754 篇文章 ・ 93 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia