北韓衛星未能進入軌道

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。

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。

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。

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。

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 。

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。

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。

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：

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。

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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• 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。

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。

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。

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。」

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。

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。

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。

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）。

• 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）。

• 旗艦太空望遠鏡：羅曼太空望遠鏡（RST）。

• 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！

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。

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。

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？

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。

• 延伸閱讀：暗物質比先前認為的還要「暗」

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。

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。

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。

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」。

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。

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。

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。

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。

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。