太空科技只是貴族的遊戲嗎?且看 SpaceX 如何致力於人類成為星際種族的夢想!

  • 文/火星軍情局局長,作家兼部落客,經營火星軍情局,關心未來的人類文明在宇宙中的地位。

近年來,隨著太空科技民營化,各家私人太空集團如雨後春筍冒出,如 SpaceX 、藍色起源 (Blue Origin) 、維珍銀河(Virgin Galactic) 、阿斯特里姆 (Astrium) 及畢格羅宇航 (Bigelow Aerospace) 等,也宣告民間太空探索的大航海時代來臨。近期,又以 SpaceX 成功發射福衛七號等衛星的 STP-2 任務最受矚目。

究竟探索太空的科技如何實現?本文將帶領讀者一窺新興公司如何航向浩瀚宇宙。

1958 年,第一顆人造衛星說穿了就只是一顆能發射電波的金屬籃球,但是短短 11 年後,人類竟然能登陸月球,其中的突飛猛進有如三級跳。活在當時的人們,一定會以為不久的將來太空旅行如家常便飯,甚至移民太空指日可待。登月前一年由庫柏力克 (Stanley Kubrick) 執導的經典科幻電影《2001太空漫遊》 (2001: A Space Odyssey),片中預測在 2001 年,人們只需買張機票就可以到軌道上的巨大環狀太空站洽公和度假,而且月球上有大型基地,也有載人太空船遨遊太陽系……

但 2019 年的現在,上述的一切都沒有發生。

《2001太空漫遊》是一部在科幻領域有重大意義與貢獻的電影巨作。圖/IMDb

因為發射火箭非常昂貴,只有幾個大國才玩得起,對口袋不深的國家、組織或公司,太空是一個高不可攀的門檻,更別提移民太空站了。

發射火箭有多貴呢?美國太空總署 (NASA) 當年估計用太空梭給國際太空站後勤補給的平均價碼是每公斤約 22000 美元,而外界的估計卻是 3 倍之多,也就是說, 350 公克的瓶裝礦泉水上到太空站就要 20000 美元,這價錢都可以買輛車了。

發射火箭太貴了,把火箭回收再利用吧!

也因如此,當年 SpaceX 創辦人馬斯克 (Elon Musk) 誓言要大幅降低發射成本,其秘訣是:多次回收,重複使用火箭。他曾表示, SpaceX 目的就是要讓人類變成星際民族。

要解釋可回收火箭如何降低成本,就要稍微說明傳統火箭的運作方式。多數的傳統火箭都有 2 節,第一節最大,負責把第二節火箭和酬載,例如衛星或太空站的補給船推上大氣層邊緣,燃料用盡後與第二節脫離,變成廢物落回地表。此時第二節火箭點火,把酬載送到預設的軌道後再與其分離。

因第二節火箭體積小速度快,通常會成為太空垃圾一段時間後返回大氣層內燒毀。看到這裡,讀者一定發現一個大問題:只有小小的酬載留下來,其他絕大多數的火箭部件全是一次性,用完就丟。想像坐飛機旅遊,落地後飛機就當廢鐵賣掉,這樣的機票當然十分昂貴。

如果把火箭想像成飛一次就馬上報銷的飛機……天哪!那該有多燒錢!?圖/Pixabay

所以,回收火箭便是一個好的主意。以 SpaceX 的獵鷹 9 號火箭來說,發射總成本約 6120 萬美元,其第一節火箭佔總成本的 70% 、燃料成本則只有 30 萬美元,不到總成本 0.5% 。所以,即使回收後的火箭整理費用要 910 萬美元,每次發射分擔後的成本還是比用完就丟的火箭便宜太多。

不過,首創回收火箭的並不是 SpaceX ,太空梭基本上就是為此所做目的設計,其燃料箱兩側的助推火箭可回收,利用降落傘落在海中再以船隻拖回,但事後證明太空梭反而又貴又危險。

另外,以火箭本身的推力垂直降落也非 SpaceX 首創, 1990 年代時麥克唐納道格拉斯公司 (McDonnell Douglas) 的三角快船實驗火箭 (Delta Clipper Experimental, DC-X) 就為此測試過火箭的垂直起降,而 SpaceX 的競爭對手藍色起源更首度用火箭垂直降落後再回收使用。不過,讓 SpaceX 聲名大噪的是其火箭為真正上外太空、又成功地用於商業用途的首例。

STP-2 任務: 一場對 SpaceX 的資格考

SpaceX 於今 (2019) 年 6 月 25 日,搭載包括臺灣的福衛七號在內的 STP-2 發射任務,號稱是 SpaceX 史上最困難的任務。所謂的 STP 是指美國空軍的太空測試計畫 (Space Test Program) ,它可說是 SpaceX 的期中考,如果通過了, SpaceX 的回收技術就有資格執行美國國防相關任務。

任務艱難在於,除了要回收第一節的主火箭、兩側的助推火箭與整流罩外,還要酬載 24 顆來自不同客戶的衛星,且須部署在 3 個不同高度的軌道。

除了增加軍事部署的彈性,在商業上也有重要的意義。舉例來說,若有天要從臺北搭車前往高雄,有的車行因為專門為一人服務,因此所費不貲;有的車行報價較便宜,但要坐滿才開,所以必須慢慢等。而 SpaceX 就像一家新的車行,有獵鷹重型這樣的大車,還願意載到不同目的地,所以若是有要去臺南、高雄等地的旅客,也可輕易湊滿一輛車,隨時出發,車資也便宜得多。

下圖為本次發射任務的程序,火箭升空至 67 公里的高空後, 2 台助推火箭燃料燒盡後同步脫離主火箭並反轉逆向噴射,返回原發射場,在降落程序中運用柵格翼 (grid fin) 和火箭推力控制方向。助推火箭分離後的主火箭繼續推動到 128 公里的高空,因本次的酬載量大且有數個目的地,主火箭需攜帶更多燃料,與第二節火箭脫離後已經離發射場太遠,所以要降落在離發射場 1200 公里處等待的自動駕駛海上平台我當然還愛你號(Of Course I Still Love You)

另外,火箭鼻端的 2 片整流罩也分離,先後靠本身的空氣阻力和降落傘慢慢落下,由另一艘船樹女士(Ms. Tree)張著大網接住。 SpaceX 目前並沒有回收第二節火箭的計畫,但未來新一代火箭大獵鷹火箭 (Big Falcon Rocket, BFR) ,如同子彈外型的第二節火箭是可回收的。

STP-2任務最後的結果是:

酬載的衛星都順利部署, 2 台助推火箭漂亮地降落在發射場旁,第一節主火箭在最後墜毀在我當然還愛你號旁,樹女士也順利地接住整流罩,美國空軍看來相當滿意。

讓科幻變成真實吧!我們的征途是星辰大海

重複使用火箭與降低成本固然很好,但與文章開頭的科幻情節有什麼關係呢?

因價格會決定技術的普及性,而普及的技術會擴大經濟規模,進而又刺激技術發展。可惜火箭技術似乎沒有進入此良性循環,電腦和太空科技幾乎同時始於二戰後,如今電腦已經進入每個人的口袋中,但上太空仍然是荊棘叢生的貴族遊戲,直到新興太空公司利用新技術改變原來死氣沉沉的太空科技,讓人們看見新希望。

或許不久的將來,上太空的門檻會低到一個程度,讓人們敢於嘗試新的商業模式。不論是觀光、通訊、開礦、移民或現在還想像不到的目標,都有機會從目前賠本生意變成發大財,那就是從科幻到真實的關鍵。

延伸閱讀

  1.  Vidya Sagar Reddy, The SpaceX Effect, New Space, 2019.
  2.  Elon Musk, Making Humans a Multi-Planetary Species, New Space, 2017.
  3.  A Brief Recap of Reusable Rockets, https://reurl.cc/eea2W。

〈本文選自《科學月刊》 2019 年 9 月號〉在這個資訊不被期待的時空裡,卻仍不忘科學事實至上的自由價值。


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