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「福七的發射日記」回顧:獵鷹火箭不只載了 24 顆衛星,還有 152 份太空葬骨灰

Suzuki
・2019/07/10 ・4310字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

SpaceX 獵鷹重型火箭在台灣時間 6 月 25 日 14:30 順利發射了!在乘坐 91 分鐘後,六枚福衛七號順利在 720 公里軌道上下車,並於當晚九點前全數與台灣操控中心取得聯繫。

本次發射由美國國防部 STP-2 任務編組執行,SpaceX 獵鷹重型火箭不只成功將福七送上太空,也為自己寫下歷史。

發射前 SpaceX 執行長 Musk 在推特上說:「這是 SpaceX 有史以來最困難的一次發射。」因為主推火箭與側推火箭分別脫離第二節核心火箭後,核心火箭還要分三次點火加速,將 24 顆衛星分別送到 300 公里至 6000 公里中四種不同傾角與高度的軌道。在安全送衛星下車後,火箭還要第四次噴氣以滑行至墓地軌道,過去獵鷹重型火箭從沒有這樣做過。

經過三小時半最後一顆衛星成功彈射,SpaceX 再度證明他們的能耐,現在就讓我們回顧「福七的發射日記」吧!

SpaceX獵鷹重型火箭在甘迺迪太空中心的39A發射台,準備在美國時間凌晨兩點半發射執行STP-2任務,此為獵鷹重型火箭第一次夜間發射。(圖片來源:SpaceX

獵鷹重型火箭,現今地表最強的火箭

SpaceX 獵鷹重型火箭為現今地表最強的火箭!它由三支獵鷹九號火箭,共計 27 支 Marlin 火箭發動機組成,總推力達 500 萬噸。

這個推力有多大呢?系統工程組副組長蔡東宏表示,福七至少要能承受火箭發射所產生的 20 倍以上的 G 力,相當於抵抗 6000 公斤以上的力,相較下飛行員訓練所要承受的 8G,簡直小巫見大巫啊!

SpaceX火箭構造圖(攝影:簡鈺璇)

由火箭結構來看,火箭側邊有兩支助推器,而核心火箭上則有兩節推進器。火箭升空後 3 分半鐘左右,兩支「助推火箭」和「第一節核心推進器」會依序分離火箭回到地表,並由剩下第二節推進器繼續載著衛星到任務軌道。

火箭最上端有個整流罩,透過彈頭型的設計,罩子能夠減少火箭升空的大氣阻力。整流罩長度跟公車差不多(約 13 公尺),在第一顆衛星下火箭以前,所有衛星都是包裹在裡頭。

本次是 SpaceX 獵鷹重型火箭第三次發射,兩支助推器是先前升空後回收的火箭,若仔細看火箭的兩邊側推器還有之前飛行的燒痕呢!回收火箭不僅環保,還可以省錢,畢竟火箭造價 6000 萬美金,燃料只要 20 萬美金,所以發射桶子回收使用一定要盡可能回收(握拳!)

6枚福衛七號與18枚衛星一同坐在整流罩內。(攝影:簡鈺璇)

一起回顧發射的精彩時刻

在發射的前幾個小時,太空中心人員還盡力為福七「充電」。蔡東宏表示,當電池一裝上衛星就會開始放電,儘管電池壽命很長,但他們還是希望「福七」能帶著滿格電力上太空。

發射前約 1 小時左右,火箭開始填充燃料,火箭主要燃料是純化煤油與液態氧,液態氧溫度極低為攝氏 -182.96 度以下,因此液態氧填充至燃料箱後,火箭周圍溫度降低,可看到白煙環繞。液態氧與煤油作為燃料會產生大量二氧化碳並不環保,但它卻是現行能讓火箭獲得最多衝力的燃料。

編按:原描述液態氧段落並不精確,已修改。(2019/7/19)

(火箭發射影片倒數五秒影片)

進入發射倒數 30 秒時,這是完全不能回頭的時刻,我們僅能合掌祈禱一切順利。「五、四、三、二、一、點火、發射」火箭瞬間升空,並在短短一分鐘就超越音速!

在 2 分半鐘,助推火箭與核心火箭分離,同時助推火箭會發動測向噴氣,轉 180 度調整它的姿態,重新讓噴嘴朝地,並打開火箭頭頂的「整流翼」調整降落速度。

獵鷹重型火箭發射升空的模樣(圖片來源:SpaceX)

兩節核心火箭將繼續飛行,在發射後 3 分半鐘左右,當火箭越過外太空與地球的分界線(100公里卡門線)時,核心火箭的主推進器會脫離、返回地球。第二節火箭則點上燃料載著衛星至任務軌道。

側推火箭如同鋼鐵人般,從天而降準備回到卡納維爾的基地。(圖片來源:SpaceX)

在火箭發射後 8 分鐘,助推火箭與核心火箭第一節會依序降落。降落前十秒,火箭會噴發燃料減速,並張開四隻腳準備「站」回降落位置。

8 分 42 秒,兩支助推火箭宛如鋼鐵人般,腳底噴著火,昂首從容地降落在地面上,簡直帥呆了!!直播現場響起如雷的掌聲。

大家屏息以待主推進器回收,因為前兩次獵鷹重型火箭的主推進器都掉落海中,並沒有成功收回。科幻迷 Musk 將派出「Of Course I Still Love You(當然我愛你)」這艘無人船去接火箭,此船取名自傳奇科幻小說家 Lain Banks 創造的具有意識之機器船。

「Of Course I Still Love You」停在距離佛羅里達州 1200 公里外的大西洋上,等待火箭降落在浮台上,船隨浪載浮載沉,接收難度相當高。在火箭發射後 11 分鐘,浮台隨著火箭靠近劇烈晃動,可惜的是核心火箭並未降落在船上,而是在船的前方墜入海中。

火箭要精準站在寬度僅有 52 米的船上,就如同一根針自 100 公里高墜落在手掌般一樣困難。過去 “Of Course I Still Love You” 紀錄輝煌,已接過 17 支火箭降落,不過至今還未成功讓獵鷹重型的核心火箭成功降落。科博館館長孫維新表示,失敗為成功之母,SpaceX 之後一定會成功的!

主推火箭成功站在海上平台的英姿

在推力火箭回收的同時,整流罩會像河馬張嘴般打開,預備在 300 公里高的第一個任務軌道將衛星乘客逐一彈射出去。

不久,兩個半形整流罩也會脫離火箭,掉落至海面。整流罩價值約600萬美金(18000萬台幣),Musk不願浪費回收機會,派出「Ms. Tree」(過去稱它為「Mr.Steven」)的無人船,當起「外野手」撐起1100多坪的大網,準備抓住這從數百公里高空掉落的罩子。

在經過五次失敗後、一年半的努力訓練下,第六次 Ms. Tree 終於成功接收從天而降的半個整流罩了!!這是 Ms. Tree 首次成功,未來她定會一名優秀的海上外野手。

Ms. Tree 網船成功接到半個整流罩的殼(左方白色的東西)(圖片來源:SpaceX直播截圖)

福七下車囉!

獵鷹重型火箭讓第一軌道衛星下車後,將再次點燃發動機,朝 720 公里的軌道前進。福七在搭了三小時左右的火箭後,在 16:30 左右依序下車。每枚衛星將間隔三分鐘,靠著火箭與衛星間的彈簧「彈」入宇宙。經過 15 分鐘後,福七全部抵達任務軌道。

福七下車的影片

咦~看影片覺得福七彈出去的速度怎麼這麼慢啊!它們捨不得下車嗎?蔡東宏表示,720 公里高的軌道速度約一秒七、八公里,也就是說台北到新竹只要十秒,而火箭彈射裝置並不會施予衛星太大的力量,加上福七比較重,所以它下船時看起來較慢。

任務完成後 火箭要自己「善終」

福七下船後,火箭會再點燃ㄧ次發動機,送最後一顆 DSX 衛星在 6000 公里處下車。

經過三個多小時後,火箭完成重任,立即展開它的「歸隱生活」。此時火箭位於「中地球軌道」,在那邊阻力很小,所以火箭不會像在低地軌道般,受空氣摩擦而逐漸下降至大氣層燒毀。為了怕打擾其他工作衛星,火箭將在太空持續滑行三個小時,並四度開啟發動機,將自己提高至「Graveyard orbit」墓地軌道。

STP-2 完整的任務過程(影片來源:SpaceX)

儘管獵鷹重型的二節火箭將成為萬年太空垃圾,但至少不會危及其他衛星運行,如此來看也是一種「善終」吧!

火箭最後會遠離定位衛星GPS、GLONASS、北斗、Galileo所在的軌道,飛向最外圈的Graveyard orbit 。(圖片來源:wikipedia)

15 萬就能實現夢想 152 人完成太空葬

獵鷹重型火箭不僅送衛星去上班,同時也替 152 位嚮往太空旅行的逝者完成遺願!根據 BUSINESS INSIDER 報導,Celestis 公司將 152 位逝者的骨灰,裝入如硬幣般的金屬膠囊內,每個膠囊約重達 1-7 公克,像排硬幣般將每個膠囊固定在美國Surrey 公司的OTB衛星上。

裝滿152名不同人的灰燼的膠囊計劃在SpaceX的Falcon Heavy火箭上發射。(取自Surrey Satellite Technology US

這些骨灰將跟著 OTB 遨遊在 720 公里的太空軌道上,數年後衛星任務結束就會一起掉落大氣層,化作最美的流星

Celestis Memorial Spaceflights 提供不同「太空葬」的方式,如果只是想經歷無重力的感覺者費用不到 8 萬台幣,若要到地球軌道最後慢慢墜落至大氣層則是15萬,而嚮往月球之旅與宇宙翱翔之旅的費用則要 39 萬左右。

好的!現在可以開始存喪葬費了,比起買靈骨塔位,我更想變成一顆小小流星~~

軌道試驗床(OTB)衛星上乘載著 152 人的骨灰(圖/SST-US

六顆福七都與地面站取得聯繫了

福七發射後兩小時45分時與澳洲達爾文站取得聯繫,由於剛開始福七身上的定位裝置並沒有打開,因此操控人員會以衛星的彈射方向與速度來推測運行軌道,而每顆衛星通過地面站時間平均僅有兩分鐘,因此地面站很難一次追到六顆衛星。

6 月 24 日晚間八點半,距離福七發射已過了 6 個多小時,當時仍有一枚衛星未完全取得聯繫,台灣操控中心團隊全力追這顆衛星。好加在,天線順利接收到它的訊號了!

晚間8:30左右,台灣三個訊號站接收到福七訊號,螢幕上折線的高峰就是福七訊號通過。

國研院太空中心主任林俊良表示,與衛星通訊的第一件事,就是請衛星報告自己的身體狀況,包括:電腦時間、電池與太陽能板展開情形,接下來操控中心還會替福七做更詳細的健檢,預計發射後1個月內完成全部功能測試,就會調整衛星的軌道。

一個月後,福七也會開始傳送掩星資料下來,便能嘗試分析大氣層的溫度、氣壓與濕度資料。預計發射後第七個月,可提供給全球氣象界開始使用福衛七號的量測資料,不過此時由於衛星未完全散開,所以觀測資料的分佈還不均勻。

發射後第 19 個月,6 顆福七才會全部降到 550 公里的軌道形成星系,達成每天提供 4000 筆中低緯度觀測資料之任務目標,提升氣象預報準度。

福七通過台灣倒數兩分鐘,操控組全員屏息以待(攝影,簡鈺璇)。

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超純社會組學生,對未知的一切感到好奇,意外掉入科技與科學領域,希望在猛點頭汲取知識的同時,也能將箇中妙趣分享給大家。


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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

CASE PRESS_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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