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伽利略不是第一個用望遠鏡窺月的人?

科學月刊_96
・2012/10/11 ・2123字 ・閱讀時間約 4 分鐘

作者 邱韻如

1609年夏天,46歲的帕多瓦大學數學教授伽利略聽到有關望遠鏡的消息。那年冬天,伽利略將他磨製的20倍率望遠鏡對向月亮,驚天動地動搖了人們心目中的宇宙。

伽利略把望遠鏡對向夜空,看到浩瀚無垠的宇宙以及月亮的真面目,開啟了世人的眼界與心胸。他不是第一個製造望遠鏡的人,也不是第一個用望遠鏡窺月的人。

從眼鏡到望遠鏡

早在十三世紀末葉,義大利工匠已經開始磨製薄雙凸透鏡,並安裝於鏡框上。十五世紀中葉,已有凹透鏡來協助近視的人們。十六世紀初,凸透鏡與凹透鏡已在整個歐洲流行。問題來了,如果只要一個凸透鏡和一個凹透鏡,就可以組成望遠鏡,為何望遠鏡未在此時出現呢?

十六世紀末的義大利,已經開始運用透鏡的組合,並將製造玻璃的知識傳往歐洲各個地區。1608年9月底,荷蘭開始了望遠鏡時代,一位荷蘭省政府官員寫信給中央政府國會議員說,有一項發明可使所有極遠處的事物看起來就像近處一樣,他指的就是眼鏡製造商李伯謝(Hans Lippershey,1570~1619)的發明。正當李伯謝忙著申請專利之時,有一名荷蘭商人已在法蘭克福的市集上銷售望遠鏡,另外還有兩個人也準備為自己發明望遠鏡而申請專利,但因為這項發明太容易複製,荷蘭當局決定不授予專利權,但望遠鏡的消息已不脛而走,開始擴散到歐洲各國。

1609年春天,巴黎的眼鏡製造商開始出售鏡筒裡有一片凸透鏡和一片凹透鏡的小型望遠鏡,放大率只有3~4倍。1609年5月,在義大利的伽利略輾轉聽到巴黎來的傳聞,馬上弄到鏡片製作了一台望遠鏡。之後他日日夜夜磨鏡拋光,在相關光學道理瞭然於心之下〔註一〕,所製望遠鏡的倍率不斷提升。

1609年8月,伽利略受邀展示望遠鏡,他和威尼斯共和國的總督和議員登上港口旁的鐘塔,用他已改良到8~9倍的望遠鏡遠眺威尼斯港遠方的船隻,大家爭相目睹嘖嘖稱奇,伽利略將這具望遠鏡贈給了威尼斯政府。

那一年的冬天披星戴月

他繼續磨鏡造鏡。11月,完成放大率為20倍的儀器,大膽將目標轉向月亮,從11月30日到12月18日,伽利略夜夜觀測並描繪月球表面,留下了至少8幅繪圖。1609年1月7日,他注意到木星旁邊的三個小點點,一直到三月初,他進行了一系列的觀測。

他不僅一筆一筆描繪出月面上的山脈與深谷,他還觀察金星的盈虧、紀錄木星旁四顆游動的星星、土星、獵戶星座以及銀河等等。他將他的觀測紀錄寫成《星際信使》一書,並將觀測所發現的木星四衛星稱為麥迪奇之星,獻給托斯卡尼大公科西莫二世及他的三個兄弟。

在當時,木星有衛星,是個驚天動地的事。當時主流的觀念認為地球是宇宙的中心,所有星體都繞著地球轉,木星算老幾,怎能有自己的衛星?暗喻哥白尼體系的這幾顆不是恆星的小星星,成了日後教廷找伽利略碴的把柄之一。

一炮而紅之後

《星際信使》一書和望遠鏡,讓伽利略一炮而紅。1610 年,托斯卡尼大公給了他一份「錢多事少離家近」的工作表示謝意,讓他享有自由的時間可以專心研究及著書發表,不必到比薩大學上課,而且大公還允諾資助製造新望遠鏡所需的經費。當年9 月,伽利略辭掉帕多瓦大學「錢少事多離家遠」的工作,風風光光的返回佛羅倫斯。

這本書使得伽利略迅速變成名聞歐洲的學者,在明萬曆43年(1615年),葡萄牙傳教士陽瑪諾所撰的《天問略》一書已將伽利略觀天的事蹟介紹到中國了。

他不是第一個用望遠鏡窺月的人

1608年秋天,荷蘭首批望遠鏡之一已用於觀測天上星體〔註二〕。伽利略不僅不是第一個用望遠鏡觀月的人,也不是第一個畫下月亮表面的人。在伽利略將望遠鏡呈獻給威尼斯總督之前的數週,英格蘭的哈瑞特(Thomas Harriot, 1560~1621)已將一架6倍率的望遠鏡轉向月球,在1609年7月26日繪製了第一幅透過望遠鏡所見的月面圖,不過這張圖是蠻簡略的〔註三〕。

哈瑞特也不是第一個畫下月面的人,在大約1505~1508年間,達文西已經用他的眼睛仔細觀察月亮並描畫月球表面了〔註四〕。

不是第一卻是最有名氣

儘管第一個望遠鏡不是他發明製作的,第一次用望遠鏡窺月不是他觀看的,第一幅月面圖不是他描畫的。但,伽利略揭開月亮與宇宙奧秘的功績卻讓世人永銘於心,將這些第一通通都歸於他。他頭腦好技術佳眼光遠,他探究光學原理,自製望遠鏡並將倍率不斷提升,並好奇的將眼光從地面擴展到宇宙;他不僅看清月亮的真面目,細心描繪月亮的崎嶇表面,更解釋這些陰影的原因由來,推算出月球上山脈的高度。他仔細觀察木星旁的幾個小點點的移動,破天荒的提出木星有衛星的概念。

在伽利略用望遠鏡窺天的360年後,人類首度登上月球。在月球上留下第一個人類腳印的阿姆斯壯於今年(2012年)8月辭世,他說過:這是個人的一小步,人類的一大步。

當我們舉頭望明月時,除了嫦娥、阿姆斯壯之外,不免也會想到伽利略,當他將高倍的望遠鏡對向月亮時,何嘗不是個人的一小步,人類的一大步?

註:

一、關鍵在於二個透鏡的曲度,需要微凸和深凹,才能產生明顯的望遠效果。其中深凹的透鏡相當於高度數近視眼鏡,以當時的技術,並不容易磨製。

二、見范龢惇的文章,《星際信使》中文版,第67頁。

三、哈瑞特所繪的月面圖,可參見如下網址:http://telescope400.org.uk/harriot-maps.htm。

四、達文西所繪的月面圖,可參見 Reaves & Pedretti, Leonardo Da-Vinci Drawings of the Surface Features of the Moon, Journal for the History of Astronomy, 18(1), 1987.

邱韻如:任教長庚大學通識中心物理科

原文發表於科學月刊第四十三卷第十期

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「新太空 2.0」時代來臨!盤點新創太空產業的衛星部署手段

黃 正中_96
・2021/09/26 ・3448字 ・閱讀時間約 7 分鐘

近年來以美國為首,國際上民營新創太空產業如雨後春筍,以新技術、新概念吸引風險投資,挑戰傳統太空產業,稱為新太空(NewSpace)2.0。

新太空的新創公司通常規模比較小,為了增加競爭力,常以併購或合資的方式,加速產業成長;所涵蓋的範圍包括火箭、小型衛星或衛星元件等領域,以價格破壞性經營,加強與傳統太空產業的競爭。

本文將分析量產的衛星精確部署到太空軌道,提高太空任務的新功能與價值;並盤點在此潮流下創新技術,和新創的太空產業。

論「快速量產衛星」的必要

新創航太公司為了更貼近市場需求,創新衛星量產技術、使用商用(COTS)元件,快速切入市場,提高產品附加價值的新衛星功能。例如使用微衛星以每小時拍攝一次地球上任何地點,並快速提供詳細圖像;使用衛星連接地面上廣大地區,構建太空網路;或者利用衛星開採小行星高價值的稀有礦物等等。

新創衛星公司所使用商用零件,設計小型或立方衛星,儘管它們的尺寸很小,但可以共同提供功能和服務,卻比傳統衛星更大、數據產品媲美大衛星。量產衛星優點是可以一次發射許多衛星,發射費用比傳統的大衛星便宜得多,但是缺點是,設計 / 任務壽命較短。

最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)

新創公司為了發堀利基市場,開發最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)1。一旦建立了 MVP 衛星,新創公司再進行優化調整。MVP 為了減輕重量,加快生產速度,設計時忽略了部分功能,如推進次系統(Propulsion Subsystem)、部分姿態控制(AOCS)或沒有備份設計(backup design)等等,以便快速進入市場。

美國的 Planet Labs 公司 180 顆遙測照相衛星,Spire Global 公司 110 顆氣象服務衛星公司,或挪威的 Iceye 公司 10 顆透過雲層對地球照相的合成孔徑雷達小型衛星等等,證明 MVP 可以在很少的預算下,製造和發射衛星到太空,並傳送數據返回地球。

美國 Planet Labs 公司的 Dove satellites。圖/Planet Labs 臉書

快速量產的代價——衛星損壞率高

但是,利用商用航電元件快速製造,在太空高輻射的環境,可能面臨高衛星損壞率,例如新創 Planet Labs 公司 2設計和製造著名的 Doves Triple- CubeSat 微型衛星,2015 年創立後發射了 339 顆 3U 高解析度的 Dove 遙測立方衛星,但是 2021 年 8 月只剩下約 180 顆衛星運作中。

另外的案例 Spire Global 公司從太空觀測雲數據和分析,提高了天氣模型的預測能力。自創建以來,已發射了 140 多顆衛星,目前有 110 顆 3U 立方氣象衛星星系營運中。

SpaceX 的 Starlink 太空網路公司3,到 2021 年 9 月 14 日為止,已經發射了 1791 顆低軌通訊衛星,統計有 125 顆衛星故障或離開太空返回地球,目前太空網路擁有 1615 顆低軌衛星建構太空網路,所以新太空的高衛星損壞率,令人印象深刻。

搭公車上太空,立方衛星「以量取勝」

大量微小或立方衛星搭乘所謂的「公車火箭」到太空,若是衛星計畫經費較多,可以搭乘單個火箭進入太空。但是大部分的計劃在預算限制下,搭乘「公車火箭」到達軌道後,整“群”離開火箭,微小 / 立方衛星以一種相當不受控制的方式繞地球漂移。

福爾摩沙衛星七號衛星搭乘火箭。圖/科技部臉書

這種「下車」方式,對於遙測照像任務,「打群架」方法是有效的,但不是最佳的方式,每顆衛星都可以拍照並發送下來,但個別衛星可能會聚集在一起,從而照相送回多餘的圖像。

對於通信衛星架構,「打群架」是沒有經濟價值的,因為在不受控制的衛星群體,只能隨機覆蓋地表,對於地面用戶來說,無法定時收到監控資料,也無法忍受隨時斷訊的通訊。

新創公司的決勝關鍵:更精確的太空軌道部署

為了增加小衛星任務所產生的產品價值,未來更精確的軌道部署,將會產生革命性的決勝關鍵,每顆衛星將被更仔細、周到地放置到精確的軌道上,使整個星系的價值,大於各自執行任務的總和。

更精確的軌道部署將成為任務規劃中首要考量,當雜亂無章的群轉變成精心編排的星系,其中均勻分佈的小衛星以優化其覆蓋範圍和數據價值時,小衛星架構的價值將得到充分體現。

優化「衛星系」的兩種辦法

有兩種實現衛星系(Constellation)優化的方法,第一種是單獨發射小衛星,或者一次發射兩到三個在特殊的小型火箭上發射,這些火箭可以「隨時隨地」運送航太器,眾多的小型火箭新創公司 Rocket Lab 和 Vector Space Systems 等,瞄準此新市場,計劃將小型衛星運送到低軌太空。

這種方法存在兩個挑戰,可能無法使其適用於所有星系。首先,大型星系需要大量發射,即使每週發射一枚火箭,完全部署一個星系也可能需要數月甚至數年的時間,其次發射費用按公斤計算,總經費也不便宜。

優化星系的第二種方法是為每個小衛星配備機載推進次系統,許多衛星可以共用火箭發射,例如由 SpaceX 的 Falcon 9 或 Falcon Heavy 等發射器的低每公斤成本發射,離開火箭以後就需要耗費自身燃料,抵達任務軌道。儘管所有飛行器都將成群離開火箭,但它們可以使用各自的推進系統分散到預先選擇的各個軌道中,以優化星系均勻性。

這種方法的好處是可以利用機載推進系統提供額外的任務價值,例如通過補償阻力來延長任務壽命,重新配置星系以彌補發射失誤,或在壽命結束時使衛星脫離軌道,減少太空垃圾,但是燃料使用過多,減少任務壽命卻也無可奈何。

獵鷹 9 號將 60 顆 Starlink 衛星送入軌道。圖/SpaceX

成本太高?新型「微推進系統」問世

新太空 2.0 的新創公司,有許多小衛星沒有包含推進次系統,主要是因為技術還不夠成熟,而且成本太高,無法納入 MVP。精確部署衛星所需的推進系統成本,市場上推進系統大部分是手工建造的,對於新創公司無法負擔。設計、開發和製造過程,還沒有發展到大規模生產。

但市場對於大量製造的機載推進系統需求強大,針對此問題,美國 Orbion Space Technology 以及 ExoTerra Resources 新創公司推出霍爾效應推進器(Aurora Hall-effect thruster),以及 Tethers Unlimited、Deep Space Industries 和 Momentus 公司,亦推出水離子推進器(Water Plasma propulsion),水離子推進裝置,進入太空小型推進器的市場。

水離子推進器。圖/參考資料 5

沒錢裝推進系統?你需要的是「太空運輸」服務

針對為了節省燃料以提高壽命,以及沒有配備星載推進系統的立方 / 微衛星,美國新創太空運輸的 Momentus 公司,推出離開火箭以後,在太空將立方 / 微衛星或其他小型衛星,在太空中運輸到所需任務軌道。

義大利的 D-Orbit 公司今年(2021)5 月部署了 20 顆義大利 ION 衛星,成功示範可以改變高度和傾角的太空運輸。D-Orbit 公司並計劃於今年(2021)10 月為 Planet SuperDove 公司在太空「最後一英里的太空運輸」服務,運輸 12 顆地球遙測衛星。

但是你可知道「最後一里路」要走多久?

以我國的福爾摩沙七號衛星星系為例,衛星設計有星載的推進系統和攜帶燃料,用來調整衛星在太空的飛行軌道;福衛七號的六顆衛星於2019年6月25日發射升空,離開獵鷹九號火箭以後,總共花了 20 個月逐漸調整軌道,才將六枚衛星的軌道面布置,形成在地球上空以 60、120、180、240、300度的夾角,涵蓋全球的氣象觀測衛星星系部署。

新太空 2.0 時代來臨!將顛覆傳統衛星公司

新太空(NewSpace)2.0 顛覆甚至於威脅到傳統衛星公司,例如 Intelsat 同步軌道通信衛星公司因過時或更高的價格使他們無法與低成本寬頻通訊競爭導致破產4,同樣的澳洲衛星通訊公司 Speedcast 和為航空公司和船舶提供 Wi-Fi 服務的 Global Eagle 公司與 Intelsat 公司一樣也都負債累累。

新太空快速的行業變化,也影響了衛星地面部分;例如衛星天線製造商 Phasor 在被新創 Kymeta 用更高效率覆蓋整個 Ku 頻段衛星天線公司淘汰而申請破產。去年 OneWeb 的破產困境源於缺乏靈活性,讓 SpaceX 競爭對手以超越其技術而破產。

因此新太空的來臨,太空產業需著重技術創新,適應快速市場變遷,隨時關注市場的變化與趨勢。對於一個創新技術競爭的衛星新創參與者,摩爾定律將主導創新和開發新市場。

參考資料

  1. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  2. 〈Wikipedia〉Planet_Labs  
  3. 〈Wikipedia〉Starlink
  4. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  5. Water propulsion technologies picking up steam
  6. Satellite bankruptcies circa 2000 vs. 2020: We’ve come a long way!me-a-long-way

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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