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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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

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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