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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!

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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。

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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)

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(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。

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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。

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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。

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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。

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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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Starship 試射雖敗猶榮?萬眾矚目的星艦還有哪些新設計?
PanSci_96
・2023/05/07 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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你有看到幾天前馬斯克的超大火箭爆炸新聞嗎?怎麼火箭快速非計畫解體了,SpaceX 的員工們還歡聲雷動、雀躍不已呢?

就讓我們來一起認識乘載 SpaceX 火星夢的下一代超重型運載火箭:星艦 Starship!

雖敗猶榮的首飛

萬眾矚目的 Starship 首次飛行於 2023 年 4 月 20 日登場。

倒數三秒開始,超級重型的三十三顆引擎在六秒內依序點火。在七千噸強大推力激起的漫天煙塵中,世界最大的火箭開始緩緩升空,並在幾秒後成功離開發射台,在朝陽中飛向深藍的天空。

但此時其實從直播畫面中就可以看到,並不是三十三顆引擎都成功點燃,其中有三顆一開始就沒有正常運作。但這不是什麼大問題,得益於先進的當代飛控以及火箭設計時保留的推力冗餘,星艦本來就可以在有幾個引擎失效的情況下繼續飛行。

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升空後一分十八秒,即使陸陸續續有引擎故障等問題,火箭還是通過了最大動壓點(MAX-Q)。可以想像成火箭在飛行過程中,其箭身結構承受最大壓力、也就是最可能出現結構問題的時候。通過 MAX-Q 對任何一款新火箭都是重要的里程碑,這代表無論其他部分如何,至少火箭的整體結構設計是達標的。

升空後兩分二十一秒,火箭的飛行高度來到 28 公里,速度約兩馬赫。

此時也許是因為控制火箭推力方向的液壓系統故障,火箭的姿態開始明顯出現偏移,並漸漸失去控制,開始在空中翻滾。最終在翻滾六圈後,火箭的飛行終止系統(FTS)啟動,將火箭自行炸毀以降低火箭碎片造成傷害的風險。於是星艦與超級重型就在加勒比海上空,化成了一片超大型煙火。星艦的首次試射,帷幕就此落下。

Starship 試射影片。/
SpaceX YouTube

關於這場試射中火箭為何失控?達成多少測試目標?這些問題還有待 SpaceX 正式發布報告才能清楚知道。但無論如何,本次發射無疑是 Starship 開發的重大里程碑。對很多人來說,能夠飛離發射台、通過最大動壓,就已經是了不起的成功了。

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SpaceX 的可重複使用之路

說到 SpaceX,大家首先想到的應該就是他們舉世唯一的可重複使用火箭——獵鷹九號(Falcon 9)。藉由在每次發射之後,讓第一節自行降落並重複使用在多次任務上,SpaceX 得以大幅降低每一次發射任務的成本,並在過去幾年中橫掃全世界的商業太空發射市場。

然而受限於先天設計,獵鷹九號只是一款「部分可重複使用」的發射系統。雖然火箭的第一節和前端的整流罩可以回收使用,但每一次發射,都還是會消耗一枚第二節火箭。

多年來,SpaceX 研究過各式各樣的方法,試圖把第二節火箭也帶回來。包括在火箭前端安裝隔熱盾,讓火箭可以承受高速重返大氣層產生的高溫;又或是異想天開地在火箭上安裝巨大氣球,讓第二節火箭可以在稀薄的大氣中盡可能減速,以降低火箭重返大氣層時會產生的熱量;但這些想法,最終都因為技術和成本上的考量而作罷。

獵應九號以星際大戰系列中的「千年鷹(Millennium Falcon)」,和第一節擁有的 9 個引擎作為命名依據。圖/維基百科

SpaceX 最終決定,放棄升級獵鷹九號,直接開發一款更大、更強而且完全可重複使用的次世代運載火箭。這就是我們今天的主角——星艦 Starship 。

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星艦的設計理念

星艦的概念首度於 2016 年出現在世人面前。當時,馬斯克在國際太空航空會議(IAC)上宣布 SpaceX 將打造一款全新的運載火箭,以達成讓人類走出地球、成為跨行星物種(Multiplanetary Species)的理想,而火星就是第一個目標。

為了達成這個理想,這款火箭必須具備四大特色:

  1. 完全可重複使用;於每次執行任務後,整支火箭都必須可以回收再利用,才有辦法大幅降低發射成本。
  2. 能夠在軌道上重新加入推進劑(以下簡稱在軌加油);如此一來火箭可以先滿載貨物進入地球軌道,然後藉由多次的在軌加油把推進劑補滿,再出發前往目的地。
  3. 使用的推進劑必須能在火星製造;如此一來火箭就不需要攜帶回程的推進劑,從而攜帶更多的貨物。
  4. 必須使用正確地推進劑組合;除了要能在火星製造之外,推進劑最好便宜、容易儲存和傳輸。

針對這四項要求,SpaceX 最終開發出一款由不鏽鋼打造,使用甲烷與液態氧作為推進劑的兩節式超重型運載火箭。

火箭的第一節稱為「超級重型 Super Heavy」,其底部裝有 33 顆 SpaceX 開發的「猛禽 Raptor」火箭引擎,總共能夠輸出近 7600 公噸的推力,比冷戰時代送人上月球的農神五號火箭還要高一倍。

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第二節則稱為「星艦 Starship」,高度 50 公尺底部裝有六顆猛禽引擎,並有兩對機翼可以在大氣層中控制火箭的姿態。能在重複使用的前提之下,將 100 至 150 公噸的酬載送入近地軌道,是人類歷史上最大、最強的運載火箭。

星艦(Starship)與超重型推進器(Super Heavy)原型機。圖/維基百科

不過,要注意的是,火箭的第二節叫做 Starship,但整個火箭系統(第一節+第二節)也稱為 Starship,有時要仔細聽上下文,才知道說的是整支火箭,還是只有單指第二節而已。

Starship 將怎麼完成 SpaceX 的火星夢?

假設今天 Starship 已經開發完成了,它將怎麼幫助人類完成未來的火星任務呢?

Starship 的全套系統運作原則如下:

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火箭從地球升空後,第一節會像獵鷹九號一樣可以自行重返大氣層,並精確地回到發射台降落。而第二節則會帶著貨物與太空人先停泊於近地軌道,等待後續發射的多艘加油版星艦(Tanker)與它會合,把它的推進劑槽補滿。接著,星艦就可以啟程前往火星。

而在登陸火星後,太空人可以將火星上的二氧化碳與水轉變成甲烷與液態氧。利用這些火星製造的推進劑,太空人就能再次搭上星艦返回地球。

除了前進火星之外,還有許多重要任務也已經預訂要由 Starship 執行。

舉例來說,SpaceX 將開發一款「月球特化版 Starship」,用於在 NASA 的阿提密斯三號以及後續的登月任務中,負責將太空人從月球軌道帶到月球表面。Starship 也將用於發射數以萬計的第二代星鏈衛星,提供更強大的通訊服務。星鏈的成功,將為 SpaceX 帶來比發射火箭更多更穩定的收入。

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隨著 Starship 逐漸成熟,其強大的運輸能力和低發射成本,將進一步將太空工程師們,從當前嚴苛的成本和重量限制中解放出來,得以放手設計更強大的衛星、太空船、太空望遠鏡,造福人類文明的各個領域。

當人類為了成為跨行星物種邁出第一步時,希望 Starship 已替那一步提供堅固的墊腳石。

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PanSci_96
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睽違三年,重磅回歸:獵鷹重型的現在與未來
EASY天文地科小站_96
・2022/11/04 ・2560字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 文/林彥興(EASY天文地科團隊總編輯,現就讀清大天文所)

台灣時間 2022 年 11 月 2 日晚上九點四十一分,SpaceX 的「獵鷹重型 Falcon Heavy (FH)」火箭從濃霧繚繞的甘迺迪太空中心 LC-39A 發射台轟然升空。睽違三年,世人終於再次體會到世界最強火箭飛向天際,以及雙助推器同時著陸的震撼。

USSF-44 任務中獵鷹重型火箭的升空與著陸。圖/SpaceX

從獵鷹九號到獵鷹重型

相信有在關注太空時事的讀者們,對 SpaceX 的獵鷹九號火箭都不陌生。

獵鷹九號火箭。圖/SpaceX

獵鷹九號是 SpaceX 目前當仁不讓的發射主力,從低軌小衛星共乘高軌頂配同步衛星乃至星際探測器都能一手包辦,而且還擁有能夠「重複使用第一節」這舉世唯一的絕技,在大幅降低成本的同時,也讓 SpaceX 能夠以超過一週一發的超高頻率發射火箭。從 2022 年初至週二當天,獵鷹九號已經發射 49 次,佔世界總發射次數的約 35%;論發射酬載總質量,世界所有其他火箭加起來還不到獵鷹九號的一半。[1][2]

但獵鷹九號雖然優秀,面對少數特別重的酬載(也就是衛星、太空船等火箭攜帶的物體),或是要把酬載送到特別高能量的軌道時,仍然力有未逮。怎麼辦呢?基本概念很簡單:在獵鷹九號第一節兩側,再綁兩根第一節火箭,給火箭更多的燃料、更強的推力,就能把更重的酬載,送到更高更遠的地方,這就是「獵鷹重型 Falcon Heavy, FH」火箭。習慣上,人們將中間那根第一節稱為芯級(Core Stage),兩側的則稱為助推器(Side Booster)。根據任務需求,芯級和助推器可選擇不同的回收模式(陸上回收、海上回收、不回收)。在完全不回收的模式下,獵鷹重型擁有超過 60 公噸的最高理論運載力(LEO),比位列第二的三角洲四號重型火箭多了一倍不只。

發射台上的獵鷹重型火箭,可以清楚的看到並排的芯級與助推器。圖/SpaceX

風光亮相後?

獵鷹重型在 2018 年進行了一場轟轟烈烈的首飛。由於未經驗證的新火箭,一般不會有客戶願意買單承擔風險,因此火箭製造商通常會自費發射一些不太重要的東西,常稱為「假酬載 Dummy Payload」,向客戶展示火箭確實可以把你的衛星送入軌道。這個不太重要的假酬載,也給了工程師們搞怪的機會。

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假酬載該選什麼好呢?
大老闆 Elon Musk:「啊,那就把我的 Tesla 跑車打上去吧。」

Falcon Heavy 首飛官方剪輯

首飛隔年(2019)四月和六月,獵鷹重型分別進行了兩次任務(福衛七號就是其中之一噢)。但在這之後,獵鷹重型彷彿就進入了休假期,長達三年都沒有發射任務。為甚麼會這樣呢?這背後的原因有非常多面相可以討論,比如獵鷹九號就已經足以應付現在市場上絕大部分的發射需求、獵鷹重型發射的酬載開發與製造進度延宕等等。篇幅有限,在此就不展開細說。但總之,對太空迷們來說,這三年真的是格外漫長。獵鷹重型還是獵鷹重型,但 2022 的世界已經跟 2019 大不相同了。

獵鷹九號(與其子型號)與獵鷹重型發射次數統計,可以看到比起馬不停蹄的獵鷹九號,獵鷹重型的發射是多麼稀少。來源:維基百科,2022.11.04 數據。

機密任務 USSF-44

回到正題,本次 USSF-44 任務的目標,是為美國太空軍發射機密軍事衛星,前往地球同步軌道。

發射直播回顧。

在上面的影片中,我們可以看到火箭發射的全過程。在轟轟烈烈地起飛後,火箭沿著預定軌道不斷加速。升空後約兩分三十秒,幾乎耗盡燃料兩根助推器率先脫離。而芯級在本次任務中則不進行回收,毫無保留地將所有燃料都用於運送衛星。約四分零三秒,芯級耗盡所有燃料並脫離,由第二節火箭負責繼續將衛星送入指定軌道。由於衛星的機密性,第二節直播就此切斷。直播聚焦於兩個助推器,如何自行返回陸上降落場,並最終成功降落。

本次任務的成功,不僅宣告著獵鷹重型的回歸,也是 SpaceX 第一次直接把衛星送進「地球同步軌道 GEO」,而非一般的「地球同步轉移軌道 GTO」(相關知識可以參考「衛星軌道萬花筒」系列圖文)。擁有將衛星直送 GEO 的能力,對火箭發射商來說意義相當重大。另一方面,雖然可憐的芯級被太空軍指定拋棄了,但兩側助推器的同框降落真的百看不厭。如果覺得這次發射霧太大景不好,不妨多看幾次 2018 首飛的剪輯吧!

還要再等三年嗎?獵鷹重型的未來

那麼,何時才能再次看到獵鷹重型轟然起飛呢?答案可能比你以為的要快。按現在的規畫,明年一月就應當要有兩場獵鷹重型的發射,分別是 ViaSat-3 與 USSF-67,都是 GEO 直送任務。但當然,這是火箭發射,再延宕個幾個月也是很正常的。

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往更遠的看,未來五年獵鷹重型將發射的重要酬載包括:

  • 大型行星探測器:靈神星(Psyche,左圖)任務與歐羅巴快船(Europa clipper,右圖)。
圖/NASA/JPL-Caltech/Arizona State Univ./Space Systems Loral/Peter Rubin|N
  • 阿提密斯計畫:月球門戶建造(PPE 與 HALO 艙段)、VIPER 月球車、月球門戶補給(Dragon-XL)。
月球門戶太空站(左下)與 Dragon XL 無人貨船。圖/NASA
南希.葛莉絲.羅曼太空望遠鏡 Nancy Grace Roman Space Telescope。圖/NASA (WFIRST Project and Dominic Benford)
  • 太空軍機密衛星與同步通訊、氣象衛星若干。

相信這些名字對太空迷讀者來說都是如雷貫耳。可見獵鷹重型在美國近期多項重要太空計畫中,都是關鍵角色。接下來幾年,就讓我們拭目以待,一起見證獵鷹重型大展身手吧!

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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宇宙學的最大謎團!有超過90%的世界都是暗物質和暗能量,但,它們究竟是什麼?──《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》
台灣東販
・2022/08/08 ・3400字 ・閱讀時間約 7 分鐘

觀測星系時,科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等,所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

宇宙是由物質構成的,但究竟是由甚麼物質構成的呢?圖 / twenty20photos

不過,後來我們了解到,宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質,那就是「暗物質(dark matter)」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質,卻實際存在於宇宙中,而且暗物質在宇宙中的含量,遠多於我們看得到的「物質」

1934 年,瑞士的天文學家茲威基(Fritz Zwicky,1898~1974)觀測「后髮座星系團」時,發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量,與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快,推測存在 400 倍以上的重力缺損(missing mass)。

在這之後,美國天文學家魯賓(Vera Rubin,1928~2016)於 1970 年代觀測仙女座星系時,發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別,並推論仙女座的真正質量,是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

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到了 1986 年,科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構,發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構,僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足,科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質=暗物質」。

看不到卻存在?暗物質究竟是什麼?

既然看不到,那我們怎麼確定暗物質真的存在?圖 / twenty20photos

前面提到我們看不見暗物質,而且不只用可見光看不到,就連用無線電波、X 射線也不行,任何電磁波都無法檢測出這種物質(它們不帶電荷,交互作用極其微弱)。

因為用肉眼、X 射線,或者其他方法都看不到它們,所以稱其為「暗」物質。

不過,從星系的運動看來,可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力(質量)」。這就是由暗物質造成的重力。

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看不到的能量:暗能量

事實上,科學家們也逐漸了解到,宇宙中除了暗物質之外,還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為,宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對,不過,1998 年觀測 Ⅰa 型超新星(可精確估計距離)時,發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量(dark energy)」。而且,暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」,以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例,如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星(美國)於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射(CMB),計算出來的結果。

圖/台灣東販

後來,普朗克衛星(歐洲太空總署)於 2013 年起開始觀測宇宙,並發表了更為精準的數值。

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  • 什麼是「普朗克衛星」?

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。  

暗物質的真面目,究竟是什麼?微中子嗎?

既然暗物質有質量,那會不會是由某種基本粒子構成的呢?也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞(原始黑洞),而我也致力於這些研究,不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子(共 17 種)以及其他未知粒子,都有可能是暗物質,在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷,不與其他物質產生交互作用,會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且,宇宙中也確實充滿了微中子。因此,微中子很可能是暗物質的真面目。

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不過,目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

NASA 曾經想透過星系團的碰撞來了解暗物質的特性。圖/NASA

為什麼微中子被撇除了呢?

這是因為,雖然微中子大量存在於宇宙中,質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少,不過依照目前的宇宙論,3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子,那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對,兩者相差過大。

另一方面,暗物質中的冷暗物質(cold dark matter)的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動,進而產生暗物質的擾動(空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同),這種微妙的重力偏差,會讓周圍的暗物質聚集,提升重力,進一步吸引更多原子聚集,最後形成我們現在看到的星系。

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相較於此,微中子過輕(屬於熱暗物質,hot dark matter),會以高速飛行。微中子無法固定在一處,這樣就無法聚集起周圍的原子,自然也無法形成星系。

暗物質、暗能量的真相究竟是甚麼?仍然是宇宙學中最大的謎團!

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」,指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射(CMB)可顯示出宇宙初期的溫度起伏,因而得知存在相當微小,卻十分明顯的擾動,此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中,物質會往較濃的部分聚集,並形成星系或星系團等大規模結構。

不過,如同我們前面提到的,科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子,在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下,很難形成現今的星系團。

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於是,科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子(SUSY 粒子)」當中光的超伴子——超中性子(neutralino)、名為軸子(axion)的假設粒子;另外,也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」,雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時,即使不假設這些未知粒子的存在,在標準模型的範圍內,微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的,當我們認為微中子應該不是主要暗物質時,就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論,這點十分重要。

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宇宙微波背景(CMB)是宇宙大霹靂後遺留下來的熱輻射,充滿了整個宇宙。圖 / 台灣東販

那麼,微中子真的完全不可能是暗物質嗎?

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子,由於我們還不曉得它的質量以及存在量,所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過,這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下,一切都還未知。關於這點,我們將在《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——本文摘自《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》,2022 年 6 月,台灣東販,未經同意請勿轉載。

台灣東販
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