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Falcon 9 運載火箭處女航

科景_96
・2011/02/10 ・1444字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 573 ・九年級

Original publish date:Jun 13, 2010

編輯 HCC 報導

SpaceX 鷹隼9號(Falcon 9)火箭於美東時間6月4日自佛羅里達州Canaveral角順利升空,9分鐘後進入軌道。火箭裝載SpaceX龍級太空艙Dragon capsule實體模型,龍級太空艙未來擬運載太空人與貨物進入軌道。

NASA Administrator Charles Bolden認為Falcon 9的發射給予NASA更進一步的信心,在太空梭艦隊退休後,能獲得再補給太空載具。

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依據NewScientist的報導,商業火箭在未來NASA載人太空飛行任務計畫上的角色面臨爭議,而SpaceX一直是此爭論的焦點,批評者認為私人公司載將太空人安全送入軌道上,並未能準備妥當。SpaceX則認為Falcon運載火箭系列在可靠度、成本、飛行環境與發射備便時間的設計上,均提供了突破性的進展,可靠度為其基本設計原動力。

Falcon 計畫目標在設計階段,硬體尚未進入測試之前,即以最大整體可靠度概念進行設計。所以於總體設計上,捨棄加掛式推進器(Strap-on Booster)設計方式,採用單節脫離設計,以降低失效機率。並使用雙重點火分離爆炸螺栓(dual initiated separation bolts)以及氣壓推動器進行脫節動作。

在結構設計、材料與製造工程方面,Falcon 9第一節包含鋁鋰合金(aluminum lithium alloy) 燃料槽;對九具引擎提供固裝點,同時作為引擎至推力裙部(thrust skirt)負荷傳遞路徑的鋁質固定格框(aluminum thrust frame);以碳纖表皮、蜂巢式鋁合金心材組成的複材推力裙部,裙部結構將來自固定格框的負荷傳遞至燃料槽。

燃料槽以硬殼結構(monocoque)、蒙皮(skin)與桁條(stringer)組合進行設計,並以2198鋁鋰合金為結構材料,作為主要承受負荷結構。燃料槽以焊接強度最高的摩擦攪拌銲(friction stir welding)技術進行焊接。連結第一節與第二節的級間結構(interstage) 以碳纖、鋁合金心材複材製造。

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在引擎可靠度方面,Falcon 9於第一節具備九具Merlin引擎,此引擎架構為阿波羅計畫土星五型(Saturn V) 火箭與土星一型(Saturn I) 火箭架構的提昇型,土星一型(Saturn I) 火箭於第一節使用八具Rocketdyne公司 H-1 引擎,土星五型火箭於第一節則使用五具F-1引擎。此種引擎架構讓土星火箭計劃保持零缺點飛行紀錄。

於發射設備可靠度上,SpaceX特別設計火箭釋放前抓住系統(hold-before-release system),於第一節引擎啟動後,此系統會抓住火箭不放,直到推進系統、載具系統確認正常操作之後,才將火箭自發射台釋放。

在航電設備可靠度上,Falcon 9 具備三套備份飛行電腦與慣性導航系統,以及GPS覆蓋系統(GPS overlay)以得到額外的軌道進入精確度(orbit insertion accuracy)。

依據SpaceX的報導,NASA對SpaceX若干強項表示認同,例如第一節引擎故障維持任務執行的能力;雙套備份航電系統;超越業界規範的結構安全係數;計畫排程執行效率的提升;降低國際太空站後勤支援的總體技術風險。

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SpaceX對Falcon 9運載火箭的結構安全係數要求嚴格。例如第一節燃料槽與級間結構(interstage)硬體以最大預期操作壓力(MEOP)的1.1倍壓力進行結構驗證實驗,以MEOP的1.4倍壓力進行結構破壞實驗。1.4倍安全係數表示第一節燃料槽與級間結構能承受飛行過程中最大內壓力的140%。SpaceX對上述兩件結構硬體進行驗證,滿足NASA定義的適人性安全規範(human rating safety requirements)。

Falcon 9第一節結構在進行結構撓曲試驗(structural bending tests)時,也通過了此適人性測試的里程碑。試驗範圍包含超過150次的加壓循環(pressurization cycles)測試,超過所需壽限循環100次以上。除此之外,第一節燃料槽與級間結構也進行過勁度試驗、最大動壓負荷試驗、主引擎熄火(main engine cutoff)測試,地面風場合格性測試(ground wind qualification tests)。

受到Falcon 9發射成功的鼓舞,SpaceX CEO Elon Musk 希望試圖說服NASA將表訂的第二次與第三次國際太空站貨運飛行實驗合併。NASA商用軌道運輸服務計劃的首次飛行驗證預劃於2010年夏天進行。

參考來源:

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科景_96
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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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太空夢成真!自費就能上太空?SpaceX 與賈里德如何推動載人航太新里程碑
PanSci_96
・2024/11/21 ・2375字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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北極星黎明:開創商業太空漫步的新紀元

2024 年 9 月 10 日,載人航太任務迎來了歷史性的突破。由美國富豪賈里德·艾薩克曼率領的四名太空人,乘坐 SpaceX 的獵鷹九號(Falcon 9)火箭和龍飛船(Crew Dragon),開始了為期五天的「北極星黎明 Polaris Dawn」任務。這次任務實現了人類首次商業太空漫步,並打破了過去五十年人類距離地球最遠的紀錄。這也是美國四十多年來首次推出的新設計太空衣,進行了「人體測試」。

這次任務的成果不僅僅令人振奮,還為未來的商業航太業開啟了新的篇章。為了解這次突破的意義,我們先一起來體驗「北極星黎明」任務的精彩旅程。

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這位賈里德是何許人也?

賈里德·艾薩克曼,現年 4 1歲,是一位白手起家的美國富豪,擁有零售支付公司的成功經歷。他還是一名充滿冒險精神的飛行家,駕駛輕型飛機創下環球飛行的紀錄,並且會操縱戰鬥機與進行特技飛行。他甚至創辦了「私人空軍」公司德拉肯國際,為美軍訓練飛行員。

賈里德對飛行的熱愛讓他不斷追求新的高度,最終使他與 SpaceX 合作,共同邁向更遙遠的天空。2021 年,他啟動了「靈感四號 Inspiration 4」任務,選擇了三名來自不同背景的一般人,與他一同踏上三天的太空旅程。這次任務向世界展示,普通人也有機會踏上太空,而不僅僅是經過嚴苛訓練的專業太空人。

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然而,賈里德並不滿足於此。他希望飛得更高、更遠,甚至挑戰從太空船內走向船外,完成首次商業太空漫步。這便是「北極星黎明」任務的起源。

太空漫步的挑戰

太空漫步並非簡單地穿上太空衣、打開艙門便能完成。以國際太空站為例,太空人在漫步之前需要進入氣閘艙(Airlock),一個介於太空站內部和太空之間的小房間。在氣閘艙中,太空人需要進行數小時的「預呼吸(Pre Breath)」過程,以降低大氣壓力,適應太空衣中的低壓環境,並避免潛水時常見的減壓病風險。

然而,SpaceX 的龍飛船並未設計氣閘艙,這意味著要讓太空人進行漫步,就必須將整個太空艙降壓至真空狀態,再在太空漫步結束後重新加壓。因此,團隊對龍飛船進行了大幅改造,增強了生命維持系統,並安裝了更多氮氣與氧氣槽。

此外,SpaceX 原先設計的太空衣是艙內使用的(IVA Suit),僅用於緊急情況下保護太空人,並不適合太空漫步。為了這次任務,SpaceX 不得不設計一款全新的艙外太空衣(EVA Suit),這是美國自四十年前以來首次設計新型艙外太空衣。

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北極星黎明任務的突破

2024 年 9 月,SpaceX 成功發射「北極星黎明」任務,這是首次由私人機構執行的太空行走任務,開創了商業太空探索的新紀元。 圖/envato

在完成了艱鉅的準備工作後,「北極星黎明」任務終於在 2024 年 9 月 10 日順利升空。這五天的旅程充滿挑戰與創舉,為商業航太寫下了新的篇章。

任務的前兩天,重點是進入 1400 公里高的軌道,這是自 1972 年阿波羅 17 號以來人類距離地球最遠的記錄。此外,兩名任務專家莎拉·吉利斯(Sarah Gillis)和安娜·梅農(Anna Menon)也成為飛得最高的女性。

在完成軌道調整後,第三天的重頭戲——商業太空漫步正式開始。龍飛船內部的氣體被排空後,賈里德和莎拉輪流將身體探出艙外,進行了一系列新太空衣的測試,而其餘兩名組員則留在艙內監控系統。這次太空漫步雖然並未像電影中那樣「漫步」在太空,但其意義非凡,因為這是由私人資金支持的商業艙外活動。

科學研究與未來展望

除了太空漫步之外,任務組員還進行了多項科學實驗和技術測試,包括微重力對人體各器官的影響研究,這些研究對於人類未來長時間在太空生活至關重要。此外,團隊還測試了星鏈(Starlink)雷射通訊技術,以提高太空中數據傳輸的效率。

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在任務期間,任務專家莎拉·吉利斯還在太空中用小提琴演奏了《雷伊主題曲》,並通過星鏈技術將影片傳送回地球,與全球音樂家合作完成了一場跨越時空的演出。

任務的最後一天,龍飛船安全返回地球,成功在墨西哥灣降落,為這次史無前例的太空任務畫上了圓滿的句號。

北極星黎明的意義

商業航太突破在即,未來實現太空旅行的可能或許離我們越來越近。圖/envato

對於熟悉太空史的朋友來說,這次的太空漫步似乎並不如 1960 年代的雙子星任務那樣驚險。然而,真正的突破在於「商業」二字。這次任務由賈里德自掏腰包資助,展示了商業公司在航太探索中的潛力,就像 SpaceX 在過去二十年所取得的成就。

任務中進行的大量技術測試和科學研究,證明了這不僅僅是富豪的太空旅遊,而是一次充滿挑戰的科學與技術驗證任務。這些經驗和技術將成為未來挑戰月球與火星的重要基石。

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「北極星黎明」任務雖然已經結束,但賈里德的太空夢還在繼續。這只是「北極星計畫」的第一步,未來還有至少兩次任務正在籌備中,其中第三次任務將搭乘 SpaceX 的星艦(Starship),進行首次載人飛行。

隨著技術的進步和更多私人資金的投入,還可以期待人類接下來在商業航太領域能取得更多突破。在未來,要來趟真正的太空之旅,看來除了熱愛科學,還需要努力賺錢了。

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這些太空垃圾會不會阻礙我們太空旅行?太空垃圾怎麼清? 
PanSci_96
・2024/05/29 ・5682字 ・閱讀時間約 11 分鐘

人類上太空的夢想會被我們親自摧毀嗎?

隨著火箭成本降低,人人都能把衛星丟上太空,現在,當你晚上抬頭看天空,你看到的星星可能不是星星,而是人造衛星。你看到一閃而過的的流星,可能只是墜入大氣的太空垃圾。

這些多到不行的太空垃圾已經成為隱憂,更可怕的是,這些以超音速飛行的太空垃圾可能摧毀其他衛星,在衛星軌道上製造更多不可預期的致命飛彈。有人擔心,人類終有一天會無法穿過這片垃圾雲,天空永遠被自己封閉。 終於,有人提出清理太空垃圾的方法了,但這些方法真的可行嗎?

現在的太空垃圾有多少?

最大的太空垃圾可能是整節火箭!

所有在繞行地球的軌道上失去功能的東西,都會成為太空垃圾,最大的包含壞掉的衛星、和大量運送衛星上太空的第二節推進火箭,例如 1960 年代太空競賽時大量發射的火箭,有許多至今還在宇宙遊蕩,每一個都像公車一樣大。而小東西,則包含太空人在太空漫步時遺忘的東西,或是太空垃圾互相碰撞後產生的碎片,最小可能只有數毫米,小的像隻蚊子。但不論太空垃圾來自哪裡,只要缺乏妥善的管理和追蹤,就可能成為其他運作中設施和儀器的致命血滴子。

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所有在繞行地球的軌道上失去功能的東西,都會成為太空垃圾,最大的包含壞掉的衛星、和大量運送衛星上太空的第二節推進火箭。
圖|PanSci YouTube

為什麼說太空垃圾真的很危險?

為了不被地心引力拉入大氣,墜向地球,在軌道上繞行地球的物體大多都以非常快的速度在移動,包括現在還在運作的衛星與各種設施。舉例來說國際太空站位於距離地球表面四百公里高的近地軌道(Low Earth Orbit),以大約每秒 7 ~ 8 公里的速度高速移動,是地表音速的 20 倍。也就是說,太空上的車禍可嚴重多了,來自不同方向或不同傾角的物體,可能會以超過每秒 10 公里的相對速度發生碰撞。別說公車大小的太空垃圾了,只要直徑超過 1 公分的碎片就足以對太陽能板或玻璃造成損害。更麻煩的是,大小在 10 公分以下的物體,大多還因為尺寸過小難以追蹤。

那麼,我們的頭上有多少太空垃圾呢?

根據歐洲太空總署 ESA 的資料,目前軌道上有 6800 個運作中的衛星,相對的有超過 3 萬 2千個可追蹤的太空垃圾。但如果估計所有無法追蹤的物體,大於 10 公分的物體可能有超過 3 萬 6 千個,介於 1 公分到 10 公分的則高達一百萬個。

根據歐洲太空總署 ESA 的資料,目前軌道上有 6800 個運作中的衛星,相對的有超過 3 萬 2 千個可追蹤的太空垃圾。但如果估計所有無法追蹤的物體,大於 10 公分的物體可能有超過 3 萬 6 千個,介於 1公分到 10 公分的則高達一百萬個。
圖|PanSci YouTube

在這些太空垃圾中,大多數大型太空垃圾就是來自發射衛星後,一起留在太空的第二節推進火箭,小型太空垃圾則來自火箭爆炸或各種大大小小碰撞所產生的碎片。

太空上曾發生過嚴重的太空垃圾碰撞事件?

歷史上比較嚴重的一次撞擊事件發生在 2009 年,銥衛星公司運作中的通訊衛星,重量 700 公斤的 iridium 33,和失效、重 900 公斤的蘇聯軍用衛星 kosmos 2251,在 789 公里的高空,兩台衛星以每秒 11.7 公里的相對速度直接撞上,化成了兩團在軌道上繞行的碎片團。

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NASA 估計,這單一次的碰撞產生了超過 2000 片可追蹤的碎片,雖然許多碎片受地球引力慢慢墜入大氣燒毀,但直到到 2023 年 2 月的統計,大約還有一半,也就是 1000 片碎片留在軌道上。過往也曾經觀察到碎片從距離國際太空站僅 100 多公尺的位置驚險掠過。

如何解決太空垃圾的問題?

太空垃圾又多又危險,真的有辦法清除嗎?

2023 年三月,NASA 發表一篇研究,整理了關於各種清理太空垃圾的方法與成本,包含從地面或太空發射雷射推動垃圾改變軌道,或是直接物理性撞擊改變軌道,還有透過捕捉垃圾,直接在太空將垃圾循環利用,作為燃料或其他用途的再利用等方法。

透過捕捉垃圾,直接在太空將垃圾循環利用,作為燃料或其他用途的再利用。
圖|PanSci YouTube

清理不同大小的物體,要用的方法跟產生的效益也不同,因此他們評估了針對兩種策略。第一種策略將會優先處理目前最大、最具威脅性的 50 個太空垃圾,例如完整的第二節火箭或是失去功能的完整衛星。第二種策略則是優先移除 1 到 10 公分的十萬個小型垃圾。NASA 分別評估處理這兩種目標帶來的效益,恩,所謂的效益,就是預估能減少多少因為太空垃圾碰撞而產生的損失。

要如何移除太空垃圾呢?

移除大型垃圾主要的方法主要是再入大氣層(re-entry),簡單來說就是讓垃圾落入大氣層燒毀。這個方法預計讓運送任務完成的火箭載具,透過剩餘的推進燃料,順手將其他大型垃圾帶下來。移除這 50 個大型垃圾預計總共會花費 10 億美金,但在移除 30 年後所帶來的效益,將會超過花費的成本,非常划算。

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至於小型太空垃圾,主要使用的方法將會是成本較低的雷射。藉由雷射產生的微弱動能來改變垃圾的軌道,將它們送入大氣層或推離常用的軌道。發射雷射的裝置可以設置在地面或是太空中,單純以使用效率來說,設置在太空所需要的能量較低,但是設置在地面維護和管理比較方便。然而這也衍伸了許多爭議,主要圍繞在這個清除垃圾的雷射也可以作為武器使用,例如在戰爭爆發時用雷射攻擊敵國的衛星。不過如果順利設置的話,清除十萬個小型垃圾後大約只要十年就可以達到等同於成本的效益,比移除大型垃圾能更快回收成本。

至於小型太空垃圾,主要使用的方法將會是成本較低的雷射。藉由雷射產生的微弱動能來改變垃圾的軌道,將它們送入大氣層或推離常用的軌道。
圖|PanSci YouTube

方法有了,但我們真的能讓太空再次乾淨嗎?

太空垃圾問題有解嗎?

現在的太空有多擁擠?

如果把歷史發射資料整理出來,會發現近五年人類的衛星發射數量幾乎是直線攀升,2012 年一整年全世界也只發射了 200 多顆衛星,到了 2022 年已經成長到一年 2000 多顆衛星。而且絕大部分都是來自於美國的衛星,想當然很大一部份都來自於 SpaceX 的星鏈計畫。而受益於獵鷹九號的高成功率和可回收造就的低廉成本,也能夠發射更多的中小型衛星,像是我們臺灣也發射了不少自主研發的立方衛星上太空,例如 2021 的「飛鼠」和「玉山」以及最近才剛發射的珍珠號立方衛星。

如果所有的衛星與火箭都會變成太空垃圾,我們清理垃圾的速度又不夠快,還有可能發生凱斯勒現象(Kessler syndrome),也就是碰撞產生的碎片引發連鎖反應,造成更多撞擊和更多碎片,讓不可控的太空垃圾快速增加,直到新的火箭與衛星都難以穿越,我們將無法前往太空,被自己的創造出的人造物封鎖在地球。

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如果所有的衛星與火箭都會變成太空垃圾,我們清理垃圾的速度又不夠快,還有可能發生凱斯勒現象(Kessler syndrome),也就是碰撞產生的碎片引發連鎖反應,造成更多撞擊和更多碎片,讓不可控的太空垃圾快速增加,直到新的火箭與衛星都難以穿越,我們將無法前往太空,被自己的創造出的人造物封鎖在地球。
圖|PanSci YouTube

治標也要治本,我們對於即將發射進太空的人造物能有套管理辦法嗎?

1967 年在聯合國通過並簽署的《關於各國探索和利用包括月球和其他天體的外太空活動所應遵守原則的條約》,簡稱為《外太空條約》。這個條約制定了各國在外太空活動所應該遵守的原則,其中和人造衛星有關的原則主要有三個:

  1. 國家責任原則:各國應對其航太活動承擔國際責任,不管這種活動是由政府部門還是由非政府部門進行的
  2. 對空間物體的管轄權和控制權原則:射入外空的空間物體登記國對其在外空的物體仍保持管轄權和控制權
  3. 外空物體登記原則:凡進行航太活動的國家同意在最大可能和實際可行的範圍內將活動的狀況、地點及結果通知聯合國秘書長

也就是說,雖然各國需要將太空活動回報給聯合國統計,但實際上在制定規範和進行管制的還是各國本身。以美國來說,分別需要和 FAA 聯邦航空總署申報火箭發射和再入大氣層的計畫,以及向 FCC 聯邦通訊委員會申報衛星的通訊規格,至於要如何避免在太空發生碰撞,是發射單位要自己負起責任,公部門只提供有追蹤的物體軌道資料。

如何避免在太空發生碰撞,是發射單位要自己負起責任,公部門只提供有追蹤的物體軌道資料。
圖|PanSci YouTube

不過對於衛星任務結束後的處置,FCC 倒是有相關的規定和罰鍰。因為如果衛星有動力系統,可以在任務結束時就控制墜入大氣層或飛離常用軌道,進到所謂的死亡軌道(Graveyard Orbit),而通常在申請發射衛星時,也需一併提供任務結束後的處置方式。

去年,衛星電視業者 Dish Network 沒有按照它在 2012 年所制定的衛星處置計畫,將衛星從離地 36000 公里的地球同步軌道再往外推 300 公里。這顆衛星在移動的半途中就燃料耗盡失去了動力,只離開原本的軌道 120 公里,FCC 因此對衛星電視業者開罰了 15 萬美元。這起首次針對太空垃圾的開罰,對於太空垃圾的管制具有重大的意義,代表著對太空垃圾危害性的重視,也代表著清理太空垃圾的商機正在逐漸成長。

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清除太空垃圾能有商業價值?

隨著商業化的太空活動逐漸熱絡,如何讓清理太空垃圾不只是空談也成了一個重要的問題。如果軌道上的垃圾減少,受益的會是所有使用軌道的衛星。就與現存的回收與垃圾處理方式一樣,我們可以規定所有衛星的生產者都必須繳交「太空垃圾處理費」,如果在發射的過程中產生額外的太空垃圾,則必須提高費率。相對的,如果一家公司提供清理太空垃圾的服務,則可以獲得這些「太空垃圾權」並換成對應的金額。

我們可以規定所有衛星的生產者都必須繳交「太空垃圾處理費」,如果在發射的過程中產生額外的太空垃圾,則必須提高費率。相對的,如果一家公司提供清理太空垃圾的服務,則可以獲得這些「太空垃圾權」並換成對應的金額。
圖|PanSci YouTube

另外,雖然目前對於在軌道上進行捕捉再回收的直接經濟效益並不突出,但如果未來在太空可以建立起專門的處理設施,或許可以作為一個長期的太空垃圾處理機制,沒想到吧,人類要成為跨行星文明的第一步,竟然是得先成立太空垃圾清潔隊。

不過話說回來,要讓各國政府願意砸大錢在太空垃圾回收產業可能還需要一點時間。畢竟相較於直接影響到生活的全球暖化,太空垃圾的危害並不那麼可怕,大型垃圾的撞擊也可以預測並提前避開,因此短時間內也還不會有明顯的感受,但如果你是需要觀測的天文學家,可能就覺得垃圾好礙眼了。

最後想問問大家,你覺得處理太空垃圾最好的辦法會是什麼呢?

  1. 向所有太空公司徵收處理費,培育回收業者,資本的事情資本解決。
  2. 從技術研發著手,火箭能回收,想必衛星回收技術很快也能做出來。
  3. 都別處理了,就等人類把自己鎖死在地球,宇宙垃圾就不會再增加了!

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