0

0
1

文字

分享

0
0
1

太空科技大突破!專訪臺灣學界自製的大型混合式探空火箭【火箭篇】

馥林文化_96
・2014/12/30 ・6581字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

文/劉珈均 攝影/劉珈均、邵意翔

協助取材/ARRC團隊、美商國家儀器(NI)

前言

本刊2014 年9 月號中詳盡記載了前瞻火箭研究中心(ARRC) 的團隊構成與發展過程,本回「火箭篇」更進一步,詳細介紹今年3 月份成功發射的HTTP-3S !

火箭問世尚不足一世紀,已成為人類執行大氣研究、太空探索任務不可或缺的配備。火箭由上而下大致分為鼻錐、航電系統、壓力容器(燃料儲槽)與推進段,任務成敗端視各個次系統是否順利分工合作。HTTP-3S 為國內學界研發至今最大型的混合式探空火箭,此次發射目的主要為了測試各項系統於高速飛行時的功能,同時做為接下來研發雙節式大型探空火箭的演練。在火箭成功衝向天際這短短幾分鐘的背後,是數不清的摸索、學習、開會討論、模擬、修改、測試、再修改,是跨校團隊無盡心血與經驗累積的成果。在本篇中,筆者將一步步帶您解析HTTP-3S 火箭如何組成,同時介紹ARRC 火箭的演變。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
HTTP-3S 結構圖
HTTP-3S 火箭結構圖(ARRC 小編特別繪製)。

探測任務:鼻錐與酬載

火箭前端尖頭部分稱為鼻錐,是放置酬載(payload,也就是執行探測任務的設備或實驗儀器)的地方。後來加入 ARRC 的中央大學團隊專司大氣研究,在HTTP-3S火箭上多增加了一個酬載。

中央大學太空科學研究所助理教授張起維率領學生自製「罐頭衛星(CanSat)」,從去年底開始與ARRC合作,所開發的「阿亮一號」曾隨交大的小型火箭 APPL-7II 升空測試。此次的「阿亮二號」負責測試高空訊號收發,內建的 GPS 也用來協助火箭回收作業。罐頭衛星外型迷你,在27公分高、直徑21公分的挖空保麗龍圓柱中,放置了一個裝著Arduino控制器的可樂罐,防止與火箭內部其他儀器相互干擾,另有幾組天線放置在可樂罐旁邊。中央大學成員邱奕中說,以後會試著把衛星射出火箭,探測平流層以上的高空資訊。

交大成員將中央大學的罐頭衛星「阿亮二號」裝入火箭鼻錐。衛星可測試高空訊號收發,內建的GPS 也幫助火箭回收作業。
交大成員將中央大學的罐頭衛星「阿亮二號」裝入火箭鼻錐。衛星可測試高空訊號收發,內建的GPS 也幫助火箭回收作業。

控制核心:航電系統

航電系統是控制火箭飛行的「重點部位」,把物品(酬載)載上天的過程是否順利、有沒有偏移,是航電系統關注的目標。航電系統是由成功大學工程科學系副教授何明字帶領的團隊負責,並由交大的陳宗麟老師協助感測器與火箭系統整合。

成大實驗室成員高碩聰就讀博一時加入團隊,自HTTP-1 時期便開始參與。他說,目前航電系統的任務很簡單:回報火箭飛行高度、何時該開啟降落傘、關閉閥門等。航電控制的理想情況是讓火箭能依不同任務執行不同的飛行樣態,但目前還沒有達到該航控目標,不清楚火箭發射後會怎麼飛,所以模擬必須精準,否則無法回收火箭。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

火箭的航電系統大多是將一整臺電腦(PC或工業電腦)放在火箭上,為避免指令錯誤或電腦當機,常會多放幾臺以比對各自指令、聯合執行,或做為備份。不過HTTP-3S不需要用到PC,而是採用單晶片,將程式直接寫在晶片裡,這種簡單的控制器不需灌入作業系統,高碩聰說:「PC的作業系統一定是裝別人的核心,能掌控的東西十分有限,除錯時變得很複雜。」單晶片的體積不但小很多,容易回溯出錯的地方,也可以輕易增加備份或更新,因為架構全利用一個個「node」組成。node是指一個節點,可以把它想成一個電腦或控制器,用在飛行電腦或控制一個閥門,若火箭變成兩節、三節,需要兩三個閥門依序開關,此時再增加一個node即可。目前航電系統分成三層功能各異的次要系統,一個node控制火箭飛行、一個控制閥門開啟、一個專門蒐集資料。

剛開始設計時,為了放進兩套系統,使用了兩塊控制晶片,但晶片之間的溝通線路複雜又容易出錯,到第二版的火箭才換成CANbus(控制器區域網路,為一種通訊協定,允許網路上微控制器和裝置不經由主機控制直接通訊),之後便維持此架構,並依任務需求把架構圖擴大。雙節火箭至少會用到四個node。

火箭上有許多感測器,如經度、緯度、高度、氣壓,以及一些偵測火箭飛行對結構影響、火箭控制會用到的感測器,資料量龐大。在PC中有軟體可處理,但只用node寫程式會很麻煩,團隊便直接使用NI的LabVIEW系統,其讀取感測器資料後,經運算整合再將最重要的資訊傳給團隊。

通訊系統常影響航電,天線功率約7瓦,因為功率大,容易影響航電,負責通訊的北科大團隊與成大團隊常常得一起密集測試,高碩聰回想以前研發的日子,兩團隊在各自的實驗室測試再如何順暢,整合時一定會發生問題!火箭結構甚至也影響航電,原本的火箭外殼是玻璃纖維,HTTP-2β任務時,火箭一切測試都完成後,將火箭纏繞上碳纖維,讓外殼更堅固。殊不知電一開,航電系統就熄了,原以為當機而已,結果整個航電系統燒毀,後來查出原因是碳纖維會導電,電流短路導回航電系統,將航電破壞殆盡,高碩聰說:「為了這問題我們又搞了一個月吧,當時已經做得非常有信心,覺得OK了,結果碳纖維套上去燒掉,聽到又要拆都快哭了!」有了那次經驗,航電段的外殼便維持玻璃纖維。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

高碩聰表示:「航電系統目前負責的工作就是讓火箭能順利的飛上去,還沒有做到飛行時的控制,希望之後能完成這個目標。」未來HTTP的航電系統會分為兩大部分,一個負責各感測器的資料處理,另一個則是控制單元。火箭飛行的時候,飛航電腦會同時檢測路徑是否符合軌道,不符合預定軌跡便會以控制噴嘴等設備即時修正,做到真正的控制。

成員將鼻錐與航電系統段相接。
成員將鼻錐與航電系統段相接。

支撐火箭的靠山:發射架

IMG_4169 (2)
兩個屏科大成員爬上六公尺高的發射架,檢查安全設備與定位裝置。

發射架是發射火箭時要最先搞定的工作。屏科大學生們比其他團隊早了四天到試射地點,焊接、組裝樣樣來。現場總有許多突發狀況,為避免強風或其他因素導致發射架升起未達指定位置,兩個學生扣上安全索,爬上六公尺高的發射架,檢查安全設備與定位裝置。

回顧最初的HTTP-1火箭,因尺寸小,發射架升起只靠人工舉起;但隨著火箭不斷的改良,HTTP-3S火箭比前兩代火箭重了三倍,得重新量身打造發射架。

HTTP-3S 發射架的結構剛性與強度是依照預計明年發射的HTTP-3雙節火箭而建造,主導設計的是屏東科技大學團隊成員陳庭維和黃詮峻。屏科大團隊原負責火箭結構、壓力容器等,HTTP-3S 任務首次將發射架也交給他們處理。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

一開始陳庭維在網路上搜尋各式各樣的發射架資料與圖片,先模仿再修改。最後設計了三腳支撐式的發射架,中間升起部分採用油壓機構升降,概念設計完,便建立電腦圖檔、分析機構動作與強度等一連串測試,結果相當順利,也符合想像的作動方式。挑戰來自最終的實作。

有位李總經理自HTTP-1任務起便熱心幫忙,陳庭維帶著工程圖與他討論,李總指出許多錯誤與實務經驗,陳庭維北上前往李總公司討論發射架設計問題的次數多到記不清,繪製的工程圖超過500張,陳庭維轉述李總反應:「你們老師敢把這麼大的案子交給一個學生,真的很大膽!」甚至笑陳庭維也傻傻的一個人接下來了,他認為,這在外面別說要單一個全職的工程師負責,連一整個團隊來負責,他都會感到緊張。後來黃詮峻接力設計出雙塔式衍架結構。

黃銓峻一樣從CAD 開始設計CAE的結構強度分析,繪製、修改工程圖的過程彷彿永無止境,接著還要克服場地問題、升降機構以及主結構,最大難題是升降機構電控部分,因團隊對機構電控是外行,便請外面的廠商設計電控系統。黃銓峻與廠商不斷溝通,走過繪製、修改工程圖的無限迴圈,到了最後獨自操作發射架升降的步驟,這是實現設計最重要的一環,卻又發生升上去但未達高度、上去了降不下來等問題,成員頂著大風爬到六米高的桁架,陳庭維說:「那種站高處,風一直迎面想把你拍打下去的感覺真的十分嚇人。但是我們都知道現在不是驚嚇的時候,要趕緊找出問題,最後發現,原來是焊接加工上的誤差以及熱變形所造成的尺寸偏差。一點點突起塊就讓整個發射架下不來!」

為桁架漆上白色(與火箭的鮮橘色相搭配)後,終告完工!發射前,桁架進行了最終演練,每個環節都小心翼翼地再三確認與測試,當火箭上架就定位,成員依已演練了50次以上的SOP,慢慢將發射架升起。當天正好為滿月,火箭升起的姿態像要前往月亮一樣。「雖然發射架舉升至預計位置不過約10分鐘,但是這十分鐘對於我們來說像是10年。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
ARRC 成員將火箭架上桁架,隨後桁架與火箭測試升降。
ARRC 成員將火箭架上桁架,隨後桁架與火箭測試升降。
火箭桁架升起。
火箭桁架升起。

動力來源:壓力容器(氧化劑高壓儲存槽)

壓力容器攸關火箭是否能穩定搭載燃料進行飛行任務,此工作由屏東科技大學團隊負責,帶領該團隊的胡惠文教授在美國普渡大學正是專攻複合材料研究,不過團隊由理論過渡到實作,依然經過了漫長時間的摸索。複合材料成本及技術門檻都很高,對「初學者」負擔很大,最初設計的笑氣高壓儲存槽(一般稱為壓力容器,pressure tank)是採用重量較輕且強度不遜鋼材的鋁合金做為壓力容器的主要材料。

然而,鋁合金銲接是一大挑戰,因其銲接後強度會降低一半以上,曾因此發生壓力容器強度不夠,灌氣程序失敗。團隊不得不導入複合材料,在鋁合金內膽上貼上玻璃纖維。HTTP-1成功發射後, 團隊進一步研究複合材料的材料與製程,材料從玻璃纖維轉而更高階的碳纖維,製程由手積層轉成更為複雜的機械纏繞。

然而, 下一次的HTTP-2α並未追隨HTTP-1 的腳步直衝天際,團隊無法驗證更換材料與製程後的壓力容器,是否可穩定搭載燃料進行飛行任務。因壓力容器的結構耐壓性遲遲達不到預期等級,接下來的任務延後。直至HTTP-2β成功發射,有了成功經驗,3S的製程才變得相對從容,現在內膽為相對好焊接的不鏽鋼,也避免熱漲冷縮造成纖維脫層。

儲存槽不能受壓太久,灌氣的時程須由火箭發射時間往前回推。HTTP-3S於3月24日清晨發射,灌氧化氮的時機就定在前一天傍晚。約十位交大團隊的成員留在發射場將98公斤的笑氣灌入火箭儲存槽。灌氣時須退至場邊,並透過電腦以攝影機監看鋼瓶的重量。當鋼瓶重量減輕20公斤後,就得將鋼瓶從吊車卸下換上新的,如此換了5瓶,灌氣程序耗費兩個小時,就ARRC的經驗算快。晚上大家分組輪流到發射場守夜,等候隔天清晨發射作業。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
正在為火箭換裝笑氣的鋼瓶,要灌入將近100 公斤的笑氣。成員退到離火箭二三十公尺遠的空地邊界,監看螢幕轉播灌氣過程與鋼瓶重量。
成員正在為火箭換裝笑氣的鋼瓶,要灌入將近100公斤的笑氣。
IMG_4853
成員退到離火箭二三十公尺遠的空地邊界,監看螢幕轉播灌氣過程與鋼瓶重量。

與火箭「對話」:通訊系統

一次次任務會訂定火箭飛行高度的目標,這就牽涉到通訊,沒有訊號回傳就無法確定火箭高度。高碩聰笑說,火箭若訊號不好或失去通訊,成大和北科大團隊就會「吵架」,互開玩笑:「我們的電腦都活著,都是你們的通訊沒有把訊號打下來,害我們不知道資料。」而北科大團隊也「不甘示弱」:「我們天線好好的,是你們電腦當機,不把資料打下來我有什麼辦法?」到目前為止,出狀況時仍無法完全確定是電腦或天線的問題,只能概略猜測。

通訊系統由北科大電子工程系教授林信標帶領團隊設計研發,主要負責的學生為碩二學生劉訓彰。無線電看不到摸不著,得從一次次實驗歸納各個情境下通訊的表現結果,在火箭這種高速移動的物體上通訊與地面的長距離測試狀況又有所不同,劉訓彰說:「在地面上最接近的東西是高鐵吧,但又不太可能把這系統掛在高鐵車廂外面,趁它行車時測試,所以得不斷模擬。」

ARRC 團隊研製了2.4GHz 與434MHz 的雙頻段收發系統, 並自製火箭端的兩頻段 PA 與天線, 可達數百公里的傳輸距離。團隊也打造出「分散式連網地面接收系統」,在地面上離火箭發射點約50公尺處的涼亭設有一通訊站、安檢所的頂樓與地面各一站、試射處直線距離1公里與4公里處左右各有一站,由五個點同時接收火箭傳下的訊息,比對通訊狀況。同時,也將重要資訊即時傳輸到遠端控制中心的雲端平臺。

隨著一次次任務,團隊不斷改良錯誤率、通訊品質,在正式發射HTTP-3S 時,通訊系統的表現不負眾望。火箭全程飛行過程中,所有飛行電腦與導航感測資料均順利下傳至分散式連網地面接收系統,堪稱最順利的一次。劉訓彰回想起發射HTTP-3S這段過程仍「餘悸」猶存:「要發射時我幾乎看到人生跑馬燈!想說要是沒成功收到訊號一定又要被罵得很兇,心情很緊繃,接收很順利心裡反而異常平靜,喔,資料有收到,很好。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

發射之後:Yo-yo減滾系統與降落傘回收系統

火箭破空後會自然旋轉以保持穩定,但轉速太快會讓火箭上儀器無法運作,太空中心提供的 Yo-yo 減滾儀器(despin device)是由 ARRC 的屏科大團隊研發。減滾儀器將火箭由每秒2轉減至每秒0.5轉,讓火箭保持穩定的同時維持正常通訊。

發射後要讓火箭順利回收, 降落傘系統是關鍵。它能讓火箭以安全速度降落,太快可能損傷火箭本體,太慢則可能讓火箭在降落過程中飄太遠(因無法控制降落方向,只能任其隨風飄盪)。

為了降低重量,傘繩和布料通常使用目前最輕薄且強度最高的尼龍材質,尼龍布為永樂市場購入,夠細又強度高的理想繩子則是在釣魚店找到。負責降落傘系統的交大團隊成員魏世昕自力縫製降落傘,目前已製作了十頂以上,只要成功回收就能重複使用。魏世昕表示,比較麻煩的是系統設計,要如何依火箭速度與高度,設計不同開傘程序,讓火箭安穩降落,是一門很大的學問。若是開傘時速度過快,會造成極大的瞬間拉力,不僅可能損壞降落傘與火箭,甚至會造成傘繩斷裂、火箭直接墜落,所以得設計一系列程序來進行。

為讓測試符合真實情境,降落傘始終是APPL火箭飛行測試項目之一,但在這之前還要小測試,專業方式是靠風洞,但學校沒有足夠大的風洞,當地科技公司的風洞也只能測試小傘。魏世昕的方法是跑到校內最高的樓層(11樓),將降落傘綁著水桶丟下去(但高度不足,仍有測試限制)。

設計隨著每次任務有所差異,第一代是利用火藥將降落傘連同鼻錐彈射出去;第二代都是藉火箭在中間分節後, 再以火藥從分節區彈出降落傘,分節的設計是利用爆炸螺栓,將扣緊的兩節火箭斷開; 第三代時,因3D列印技術更趨成熟,零件製作也彈性許多,改為用火藥從火箭側邊彈出。三種設計在 APPL 系列都成功過,可惜在 HTTP 系列時變數複雜很多,未能看見降落傘系統成功執行。

成員正在組裝火箭的回收系統(連接傘繩與啟動降落傘的線路等)。
成員正在組裝火箭的回收系統(連接傘繩與啟動降落傘的線路等)。

後記

從新竹到屏東發射地,車程足足要8小時。發射時剛好遇到鋒面,ARRC團隊在狂風與陰翳天空下工作了四天三夜。因為團隊還沒有固定的研究基地,所有東西得搬來搬去,ARRC團隊就這麼頂著狂風,從黎明到薄暮進行一連串工作:整地、建航架、火箭組裝、上架、測試系統、灌燃料、航電聯測等等,到最後發射火箭。

3月24日,清晨陽光終於透出雲隙,長6.3公尺、直徑40公分、重300公斤的單節火箭 HTTP-3S 藉1,000 公斤重的推力衝上天際。火箭最後落於太平洋海面,可惜海象差而無法出海打撈回收。此次發射任務結束後,還有下一階段更繁重的雙節式探空火箭HTTP-3 任務, 期待ARRC前瞻火箭中心一步步走向太空!

HTTP-3S 冒出噴流、正要發射上天的瞬間時刻。
HTTP-3S 冒出噴流、正要發射上天的瞬間時刻。

 

歷代HTTP火箭資訊

HTTP-1 HTTP-2α HTTP-2β HTTP-3S
長度 4.2公尺 4.5公尺 4.9公尺 6.3公尺
直徑 15公分 15公分 20公分 40公分
重量 55公斤 64.5公斤 97公斤 300公斤
發射時間 2010.9.16 2011.9.3、9.4 2013.9.23 2014.3.24
火箭構造特點 成大自製飛行電腦。通訊天線採環形天線。 壓力容器與尾翼採用碳纖維(在此之前,壓力容器採玻璃纖維+鋁合金內膽,其餘為金屬骨架+薄玻纖外殼,唯燃燒艙為純鋁合金。) 燃燒艙採不鏽鋼+碳纖結構。通訊天線採子彈型天線。
飛行結果 順利發射。 燃料槽的控制閥出問題,火箭停留原地無法發射。 火箭順利射上接近10公里高空,唯通訊狀況不佳。 順利發射。通訊資料最完整的一次。

 

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2015/1月號

2015.03.18補充資訊:
台製前瞻火箭,即將升空,需要你的火力支援校園火箭隊!
火箭大叔前瞻計劃

文章難易度
馥林文化_96
54 篇文章 ・ 5 位粉絲
馥林文化是由泰電電業股份有限公司於2002年成立的出版部門,有鑒於21世紀將是數位、科技、人文融合互動的世代,馥林亦出版科技機械類雜誌及相關書籍。馥林文化出版書籍http://www.fullon.com.tw/

0

15
7

文字

分享

0
15
7
太空種電?不受天氣影響的發電廠登場,人類將迎來能源自由?
PanSci_96
・2023/08/12 ・4585字 ・閱讀時間約 9 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

要核能、綠能、還是天然氣?大家不用吵了,因為讓我隆重介紹,宇宙太陽能準備登場,地球將進入能源自由,人類文明將邁入下一個時代!

雖然只是邁入第一步,但我沒有在開玩笑,美國、日本、歐盟、英國都陸續展開宇宙太陽能計畫,預計在太空中布下大量太陽能板,將取之不盡的能量,不分晝夜、不分天氣地將能量源源不絕的傳回地球。而且第一階段的測試,已經在宇宙中測試成功了!

宇宙太陽能真的可行嗎?我們離能源自由,還有多遠?

為什麼要去太空中進行太陽能發電?地面太陽能的困境

台灣要選擇哪種能源配比,各方論點各有道理。而同樣的問題,不只是台灣,對世界各國來說都是爭論不休的議題。面對這樣的困境,竟然有人提議往太空探索,去太空中進行大規模太陽能發電,並將能量傳回地球,成為宇宙太陽能電廠,一舉解決所有能源問題。可是就算不去太空,在地面上的太陽能近年來成長迅速,安裝量和產量都持續增加,為什麼非得跑到太空中去做一樣的事呢?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

雖然太陽能板的設置成本近年來降低很多,能不能穩定發電卻要看老天臉色,而且需要的佔地面積廣大。世界上只有少數幅員廣大,日照充足的國家可以打造 GW 等級的太陽能發電廠,像是印度,中國,以及中東地區。許多地方例如台灣,多以民間業者小規模發展為主,很難建設大規模的太陽能發電廠,如果要大規模使用農地、魚塭、屋頂種電,也有許多問題等待解決。

不過只要把太陽能搬到外太空,就可以大喊:「解開束縛、重生吧!太陽能,我還你原型!」

首先,太空中可以接收到更多的陽光。由於太空中沒有夜晚,所以軌道上的衛星幾乎可以 24 小時暴露在陽光之下。此外,太空中的陽光不會像地面上的冬天或傍晚,有傾斜入射的問題。太陽能板可以隨時指向太陽的方向,和太陽光的方向保持垂直,接受百分之百的陽光照射。根據計算,同一塊太陽能板放在太空中可以接受到的陽光量至少是地表的三倍以上。

地球上陽光傾斜入射的問題示意圖。圖/PanSci YouTube

另外,地球的大氣其實幫我們阻隔了許多陽光,保護地表上的我們不會被瞬間曬傷。就算是晴朗無雲的日子,大氣層還是會散射掉許多的陽光。太空中的太陽輻射比地表強上不少,大約多了 40% 左右。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

綜合前面所說的,只要把現有的光電材料放到衛星軌道上,就可以輕鬆獲得約四倍的發電量。此外還不需要任何占地,不會對環境生態帶來負面影響。

太空種出的電要怎麼運回地球?

你可能會好奇,在太空中收穫這麼多太陽能,要怎麼運回地球給大家使用呢?難道要存在電池裡再回收嗎?科幻大師艾西莫夫早在 1941 年就想過這個問題了。在他的短篇小說《理性》中,各個太空站會再收集太陽能之後,用微波光束將能量傳送至不同行星,也就是遠距無線傳輸能量。

雖然這種技術在當時屬於科幻情節,但現在的我們知道這樣的技術在原理上可能辦到的。在我們介紹無線獵能手環那集,我們有提到電磁波傳遞能量的問題,就是能量會以波源為中心向外發散,並且能量隨著距離快速衰減。想要高效率傳輸能量,如果不想接條線,就必須使用指向性的波源,將能源都集中到一點。

現在,我們使用多個天線組成陣列,並調整他們的相位,讓各個天線發出的微波產生干涉,形成筆直前進的單方向微波束,將能量精準發射到遠處的一個點。除此之外,因為選擇的電磁波頻段是微波,就像手機訊號可以穿過牆壁到你的手機一樣,特定頻率的微波也能穿透大氣層或雲層的阻擋。即使地球上的我們是下雨天,宇宙太陽能仍能透過微波將能量傳至地表,大幅降低天氣造成的影響。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

所以,只要把所有太陽能板發射到地球同步軌道上,讓它們在軌道中展開,組裝成大還要更大,邊長長達數公里的超大太陽能板。這樣空中太陽能發電廠就會一直維持在天空中的某一點,地面的我們,只要蓋個微波接收站就可以了。當然要將所有設備發射到地球同步軌道上所費不貲,較可行的做法是先用火箭將衛星射入高度較低的低地球軌道中,再利用衛星本身的離子噴射等方式把自己慢慢推到地球同步軌道。

太空太陽能發電廠概念圖。圖/Space.com

這個主意,在 1968 年工程師 Peter Glaser 就在 Science 期刊上提出,還向美國政府申請了專利。當時,美國能源局和 NASA 也覺得這個概念挺「有趣」的,針對宇宙太陽能做了一系列的調查並提出了正式的可行性報告。不過當時各方面的技術未成熟,無法進行測試。最重要的是,要把一整個太陽能發電廠射到太空,實在要花太多錢,產出的電根本就不敷成本。

好消息是,太空運輸成本近年來已經降低很多。SpaceX 的獵鷹九號火箭將每公斤物質運到低地球軌道的成本,只需要約三千美元,是過去使用太空梭運載的二十分之一。這讓宇宙太陽能的可能性,從僅只於科幻,搖身一變成為潛力無窮的未來能源。

宇宙太陽能離我們有多遠?

從美國、英國、歐盟到日本,都已經放話要加入這場全新的太空能源競賽。領跑者之一是日本的太空機構,宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組,是有生之年就能看到的成果!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
從宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組。圖/PanSci YouTube

這個時程也不是信口開河,日本在 1980 年代左右便開啟了宇宙太陽能計畫。經過數十年的規劃與研發, JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。這個實驗相當重要,因為在發射成本的問題解決之後,宇宙太陽能要面對的下一個難題,就是如何有效地從外太空軌道遠距送電。雖然我們已經知道可以透過干涉的方法,讓微波束直線前進,但實際運作時,還是會有一個很小的發散角,不會完全平行。

JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。圖/PanSci YouTube

失之毫釐。差之千里。地球同步軌道離地表可是有三萬六千公里,小小的發散角到地面就會嚴重發散,地面的接收天線尺寸也不可能無限擴張。這任務的難度差不多等於要從操場的一端用雷射筆打到另一端的蚊子,非常困難。JAXA 的天線雖然目前還未達到需要的準度,但是發散角已經能控制在 0.15 度左右,足以從較低的低地球軌道傳輸能量回地球,做初步的測試。

從還處在規劃階段的日本,瞬間移動到地球的另一端,美國的研究團隊,在這個月已經宣布取得重大突破。加州理工學院的宇宙太陽能計畫在今年初,成功讓一個小型測試模組,乘著 SpaceX 的獵鷹 9 號前進低地球軌道,進行太空中的實際測試。這個小型模組包含三個小實驗。第一個實驗是測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。第二個實驗則是要在 32 種不同的光電材料中,找出哪種在太空中效果最好。第三則是要測試微波傳輸能量在太空中的可行性。

測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。圖/caltech.edu

就在今年的 6 月 1 號,團隊宣布他們設計的可彎曲天線陣列,在太空中成功傳送能量到三十公分外的接收天線,點亮了 LED 燈。雖然距離只有短短的 30 公分,但是整個實驗暴露在外太空的環境中進行,證明他們的設計可以承受最嚴苛的環境條件。做為測試,他們也嘗試讓天線發射能量到遠在地球表面,大學實驗室的屋頂上。並且,還真的被他們量測到了數值。儘管規模不大,但這是宇宙太陽能第一次的軌道測試,結果相當振奮人心。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
可彎曲天線陣列。圖/PanSci YouTube
右方為可彎曲天線陣列(發射端),左邊為接收端的 LED 燈泡。圖/caltech.edu

如此看來,技術的發展似乎相當樂觀。可是要用於民生發電,成本是很大的重點。宇宙太陽能真的符合經濟效益嗎?或是我們該把資源留給其他選項呢?

宇宙發電廠符合經濟效益嗎?

根據美國能源情報署 EIA 的資料,1GW 發電容量的發電廠,傳統燃煤發電廠的初期建設成本,大約是一千億台幣,核電廠大約是兩千億台幣。那宇宙太陽能呢?每 1kW 的發電需要二十公斤的材料,1GW 就需要兩萬公噸。目前 SpaceX 獵鷹重型火箭運送每公斤材料進入軌道,需要三萬台幣。也就是說,光是將設備全部送上太空的運輸成本,就需要六千億的驚人花費。再加上太陽能板與相關設備的建置成本,以地面型太陽能發電廠為參考的話,大概還要多花500億台幣。而 JAXA 方面的預估,打造第一座 1GW 宇宙太陽能至少需要一兆兩千億日圓,雖然比我們用獵鷹重型火箭預估的還要低,但仍是一筆龐大費用。

各種發電方式的成本與性能表現。圖/美國能源情報署 EIA

那宇宙太陽能真的只是將鈔票往太空撒,空有理想的計畫嗎?當然不是,有兩個讓科學家不放棄的理由——首先是未來建造成本一定會下修。太空的發射成本相比 50 年前,已經少了兩個零,在 SpaceX 的發展下,還在持續地快速減少。另一方面,太陽能材料的輕量化工程也持續在進行,每 kW 發電重量只有十公斤或以下的太陽能材料已經不是虛構。新式的太陽能材料,我們未來也會陸續介紹。這兩個因素加乘在一起,一兆兩千億日圓的成本,很有機會在幾年內就減少為十分之一或更少。

發射火箭的成本逐年降低。圖/futuretimeline.net

更重要的是,宇宙太陽能一但建置完成,就會成為可做為基載能源的再生能源,減少對石化燃料的依賴。甚至因為主要設備都在太空,地面只需要建設接收站,可能將解決許多偏遠地區的能源問題,一舉改變全世界的能源型態。而且與許多八字還沒一撇的發電方式相比,宇宙太陽能已經算是距離現實很接近的選項,也難怪各個國家紛紛搶著要發展這塊領域。不過雖說是永續能源,還是有許多方面值得深入研究。例如要把幾萬公噸的材料射到軌道中,需要排放多少的火箭廢氣?一但規模化,這些巨大的宇宙太陽能板是否會成為小行星的標靶,或在一次的太陽風暴過後,讓軌道中堆滿太空垃圾?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

宇宙太陽能究竟能不能成為可靠的新興未來能源,從想都不敢想,到開始精算成本,相信我們很快就會知道答案。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

PanSci_96
1219 篇文章 ・ 2184 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

1

12
3

文字

分享

1
12
3
思考的極限:宇宙創造出「空間」與「時間」? ——宇宙觀的發展史(下篇)|20 世紀後
賴昭正_96
・2023/05/17 ・6928字 ・閱讀時間約 14 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 文/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

空間與時間都根本不存在:它們只是分別用來說明物體間之相對位置與事件間之前後秩序的「語言」而已。沒有物體就沒有空間的必要;沒有事件就沒有時間的必要。
——賴昭正(不可能得到諾貝爾獎的科普作者)

宇宙在十六世紀以前一直被認為是宗教與哲學的範圍。圖/Envato Elements

宇宙的起源、歷史、與結構,在十六世紀以前,一直以人及地球為中心,被認為是屬於宗教與哲學的範圍。1543 年,哥白尼(Nicolaus Copernicus)粉粹了地球為宇宙中心的幻想;約百年後,伽利略(Galileo Galilei)改進了望遠鏡,並將其鏡頭轉向天空,開啟了觀測天文(observational astronomy)之門,並大力支持哥白尼之地球繞日的理論。

慢慢地,科學家不再須要依靠信仰來解決、而是利用科學儀器去「看」宇宙像什麼樣子及如何演化。又再約百年後,牛頓(Isaac Newton)用萬有引力及距離平方反比定律,解釋了一系列以前不相關的天上人間現象,並且可以計算出行星繞太陽的週期,使得天文學正如其它科學訓練一樣,不再是信仰的爭論,而是證據與理論的問題。

當天文學家了解到了人不可能是宇宙的中心時,科學家再沒有任何理由認為我們所處在的地方在宇宙中佔了一個很獨特的地位;同樣地,也沒理由認為我們所處在的時刻是個很特殊的時刻——稱為「宇宙學原理(Cosmology principle)」。顯然地,宇宙應該永遠就是那樣地存在,它沒有開始,也不會有終結。

膨脹的宇宙

如果星星可以自由移動,那麼宇宙還是不是靜態?圖/Envato Elaments

牛頓的力學統領了三百多年的物理學及天文學發展,直到 1905-1915 年間,愛因斯坦(Albert Einstein, 1897-1955)相繼地發表了狹義相對論及廣義相對論後才被修正。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

愛因斯坦發表了他的重力場方程式後,當然也在思考著宇宙的問題;但卻發現他場方程式的解不可能是一個靜態的宇宙!為了符合當時的宇宙觀,二十世紀近代物理學革命先鋒的愛因斯坦竟然屈服於「共識」,修改其方程式來取得靜態解。

事實上早在 1718 年,英國天文學家哈雷(Edmond Halley,1656-1742)就發現了三顆明亮的恆星不再處於古代觀測所確定的位置,嚴重地質疑恆星固定位置的假設。而如果星星可以像正常的物理物體一樣地自由移動,那麼宇宙是不是靜態呢?

1922 年至 1924 年間,俄國數學家佛里曼(Alexander Friedmann,1888-1925)假設宇宙中物體的分佈是均勻(宇宙學原理),解廣義相對論場方程式,發現這些物質在空間的分佈只有三種可能:
從開始的一點,空間隨著時間增大而

  1. 慢慢趨近到一個定值;
  2. 永遠繼續膨脹增大;
  3. 膨脹一段時間後開始收縮。
圖/作者提供

1927 年,比利時魯汶天主教大學(Catholic University of Louvain)教授勒梅特(Georges Lemaître,1894-1966,麻省理工學院物理博士)神父也獨立地發現了佛里曼解;但因他對其物理意義比較感興趣,從中預測了真實的星系宇宙膨脹,得出距離我們越遠的星群後退速率應越快、但沒有人在意的革命性結論——愛因斯坦接受了他的數學,但拒絕了他的物理解釋。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

1929 年,美國天文學家哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)分析了一些從遙遠星群傳來之光譜的測量結果,發現其頻率很有系統地往頻率較低之紅色位移(red shift),其位移值隨星球離我們之距離的增加而加大。顯然地,遙遠星群是依一定的規則在遠離我們:距離我們越遠,後退速率越快——稱為「哈柏—勒梅特定律」(Hubble-Lemaître law)。

這無可避免的結論是:宇宙正處於一膨脹狀態!此一完全出乎意外的發現,改變了宇宙論這一研究的整個面貌!可惜在哈柏去世前,天文學顯然還是被認為是屬於宗教與哲學的範圍,因此他從未得到諾貝爾獎。

宇宙的開始

一個膨脹的宇宙是一個在改變的宇宙,因此應該具有生命的歷史。1931 年,勒梅特開始追溯宇宙的足跡,得出了他所謂的「原始原子假說」(primeval atom),在《自然》雜誌上發表了一篇 457 字的短文謂:

「如果我們回到過去,我們必須找到越來越少的量子,直到我們發現宇宙的所有能量都包含在幾個——甚或是一個獨特的——量子中。……,如果世界始於一個單一的量子,那麼空間和時間的概念在開始時完全沒有任何意義。……,我們可以以一個獨特原子的形式設想宇宙的開始,其原子量是宇宙的總質量。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

無神論宇宙學家霍伊爾(Fred Hoyle,1915-2001)因為不相信「原始原子假說」,在 1949 年諷刺地稱它為「大霹靂」(big bang),沒想到這一名詞竟然廣為科學家所接受的,稱勒梅特的宇宙觀為「大霹靂宇宙論」。

1979 年 12 月,麻省理工學院古士(Alan Guth,1947-)教授突然心血來潮,懷疑他的研究——超冷(supercooled)的希格斯場(Higgs field)——或許也適用於宇宙論。

美國理論物理學、宇宙學家 Alan Harvey Guth 亦是暴脹模型的創立者。圖/維基百科

古士的研究顯示,如果當初宇宙充滿了稱為急脹子(inflaton)的希格斯場,則在慢慢膨脹而冷卻下來時,這急脹子可能被困在一能量不為零的非常不穩定之超冷狀態。此狀態的急脹子因具負內壓,可以提供非常強大的排斥力,促成瞬間非常巨大的膨脹(「大霹靂」的原因)。

但因此一狀態非常不穩定,因此急脹只維持了大約 10-35 秒之久;但在這期間宇宙膨脹率隨著時間而急速加快的!在此之後,宇宙的膨脹率才因重力的關係又恢復到其越來越小的正常狀態!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

此一巨大迅速加速膨脹不但能解釋為何現今的宇宙是如此地均勻;它甚至還告訴了我們現今我們所觀測到的宇宙,事實上只是整個宇宙中非常小的一部份!這正又說明了為什麼我們現今觀測到的宇宙是平的——正如大球表面上的一個小面積看起來是平的一樣。此一偶然發現,一下子解決了宇宙大霹靂論的三大謎題(詳見愛因斯坦的最大錯誤——宇宙論常數)!在大約 10-35 秒後,此一大霹靂才停止,急脹子才放出其多餘的超冷能量,產生我們現今所看到的一般物質與能量。

科學家稱此一改良的大霹靂宇宙論為「急脹宇宙論」(inflationary cosmology),原來之大霹靂宇宙論為「標準大霹靂宇宙論」(standard cosmological Big Bang model)。

宇宙沒有邊緣

一個以獨特原子「大霹靂」出來的時空當然應該是有界限的,有界限的時空當然應該是有邊緣的。可是如果有邊緣,那應該有很獨特的中心點,這不違反了「宇宙學原理」嗎?還有,邊緣的外面是什麼?如果是空間,那應該是「大霹靂」造出來的,應該是宇宙的一部分,所以宇宙應該是沒有邊緣的。

沒有邊緣的宇宙不一定必須是無限大的:愛因斯坦 1917 年提出的宇宙就是一個沒有邊界的有限宇宙:生活在二度球面上的怪人,它們生活的球面是有限的,但卻沒有邊界。球面不平,故可以彎回形成一個封閉的無邊緣空間;但如果宇宙的幾何是平的,不能彎回來,那麼宇宙便應該是無限大的,沒有邊緣的;儘管如此,宇宙的膨脹還是在繼續製造空間的,所以空間隨著時間變成「更無限大」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/作者提供

時空的膨脹

我們對「膨脹」的了解都是置身事外、隔岸觀火的:像看正在膨脹的氣球,只見其體積越來越大。但是宇宙只有一個,我們不可能置身事外;而如果宇宙是無限大的,則不管我們在哪裡,都會覺得我們正處於膨脹中心點,正像球面上的任何一點,發現其它各點離我們之速率與其距離成正比(這正是哈柏的發現)。

還有,隔岸觀火讓我們可以看到氣球外的膨脹空間,我們可以量得在膨脹時氣球上任何一點對地球的「運動」速度;但如果我們置身正在膨脹的宇宙中,當然看不到宇宙外的膨脹空間。

不,等一等,宇宙是無限的,它怎麼還有「外面」讓它膨脹呢?當然沒有!所以現在的物理學家認為空間像氣球的表面一樣,是膨脹——不是運動——「製造」出來的!兩個物體的空間距離因膨脹——不是相對運動——而加大。

萊布尼茲(Gottfried Leibniz,1646-1716)終於戰勝了牛頓:沒有物質的地方就沒有空間,空間根本不存在,空間只是用說明物體之間的相對位置的「語言」而已。所以哈柏所測到的遙遠星群有系統地離開我們,並不是因為星群「運動」的結果——星群並沒有在牛頓之「絕對空間」中運動。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

如果空間是被製造出來的想法很難接受,相信時間就容易瞭解多了!想一想:「現在」根本沒有「明天」,「明天」是在明天的「現在」才出現的,所以「明天」是製造出來的;「時間」是在膨脹,往現在不存在之「明天」膨脹;「現在」與「明天」之間沒有界限,所以時間應該沒有邊緣;沒有邊緣就沒有邊緣外是啥的問題!

而沒有邊緣、又是「我的青春小鳥一去不回來」(註一)的時間不應是無限大嗎……,所以宇宙的膨脹事實上不止製造了空間,同時也製造了時間!

西漢(公元前 202 年-公元 8 年)《淮南子》的首篇《原道訓》謂上下四方為之「宇」,古往今來為之「宙」;這句話闡明了「宇」就是空間,「宙」就是時間;宇宙就是時空,宇宙歷史就是製造時空的歷史!

宇宙歷史就是製造時空的歷史!圖/Envato Elements

宇宙年齡與黑暗夜空

如果時間是因為大霹靂而製造出來的,那現在的宇宙到底都老了?精確測量的「遙遠星系的速度及其距離比」(稱為「哈柏常數」)估計現在的宇宙年齡為 138 ± 10 億年。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

2013 年,歐洲航天局的普朗克太空望遠鏡繪製了一張詳細的宇宙微波背景溫度之波動圖,估計宇宙的年齡為 138.2 ± 0.5 億年。去年 3 月 30 日,由約翰霍普金斯大學韋爾奇(Brian Welch)博士領導的一群天文學家宣布發現了有史以來最遠和最早的恆星:一個在 129 億年前(大霹靂之後 9 億年時)發出的光點。

哈柏對星系系統性紅外移的發現終於讓我們解決了牛頓之無限宇宙論與宗教之有限宇宙論間的衝突。

起初人們認為僅紅移效應就足以解釋為什麼夜晚的天空是黑暗的:來自遙遠星系中恆星的光會被紅移到可見光範圍之外的長波長。然而,現在共識是,宇宙的有限年齡是一個更重要的影響。即使宇宙在空間上是無限的,但由於光速及重力傳播速有限,來自遙遠星系的光子或重力根本還沒有足夠時間抵達到地球。

如果現在宇宙的年齡是 138 億年,那麼我們將感覺不到距離地球 138 億光年外的光或重力,而認為宇宙是有限的。我們稱這個半徑 138 億光年的球面內宇宙為「可觀測宇宙」(observable universe)。在這個宇宙視界內的星數大約 2 萬億個,太少了,無法使夜空明亮或將地球撕裂。

還有,如果牛頓當時知道宇宙是在膨脹,他根本不需要一種「無限而永恆」的神力來防止星雲被拉到一起。

獵戶座大星雲揭示了恆星與行星系統的形成過程。圖/維基百科

思想的貧乏

如果時空是大霹靂製造出來的,那在這之前根本沒有時空!沒有時空?那這大霹靂在什麼「地方」發生的?又為了解釋如果爆炸有中心點,那便違反了「宇宙學原理」,有些理論天文學家甚至提出大霹靂是「到處」同時發生的!可是「到處」不是空間嗎?……這不正是「先有雞還是先有蛋」的矛盾問題嗎?

儘管哲學家盧梭(Jean-Jacques Rousseau, 1712-1778)認為:「現實的世界是有止境的,幻想的世界則是無垠的」,但在寫這一節時,筆者還是一個頭兩個大!

紐約州立大學石溪分校的天體物理學家舒特兒(Paul Sutter)在去年 2 月 25 號的宇宙之外有什麼東西嗎?一篇文章結尾說:「如果這一切聽起來複雜而令人困惑,請不要擔心。……,這就是現代宇宙學的力量之一:它(數學)使我們能夠研究難以想像的事物。」

恐怕我們所能做的就是接受這些悖論並努力去適應它,就像前面提到之萬有引力,當初不是被認為是「魔法、神秘、非科學」嗎?但現在已經沒有人懷疑這種力之存在了。同樣地,近代的物理(相對論、量子力學)裡不也是充滿了很多違反我們日常生活邏輯的奇怪觀點嗎?

宇宙又再次加速膨脹

1998 年加州大學伯克萊分校(University of California, Berkeley)的波米特兒(Saul Perlmutter)及澳洲國立大學(Australia National University)的思密特(Brian Schmidt)相繼宣佈超級新星 la 型的數據顯示,在大霹靂後的 70 億年,宇宙的膨脹率又再次加速了!約翰霍普斯金大學(Johns Hopkins University)的雷斯(Adam Riess)於 2006 年再次肯定了這些觀查結果。

此一發現再次重寫了人類對宇宙演化的看法,因此諾貝爾獎委員會將 2011 年的物理獎發給這三位科學家。

真是一波剛平,一波又起!好不容易物理學家總算了解了大霹靂的原因,在它之後宇宙的膨脹因為萬有引力的關係應該逐漸慢下來,怎麼現在它的膨脹又加速了?牛頓重力只有相吸的作用,因此要解釋此一加速膨脹,看來只有求助於愛因斯坦那修改方程式內之「宇宙論常數」(cosmological constant)了。

不錯,波米特兒及思密特思考著:在大霹靂(急脹)後,宇宙靠大霹靂時的衝力(物理學上稱為慣性)而繼續膨脹,但因萬有引力的關係,膨脹速率將越來越慢;可是如果真有愛因斯坦的宇宙論常數,則因其排斥強度不會隨宇宙膨脹而降低(萬有引力則會因宇宙膨脹而降低),它總有一天它會強過萬有引力,使宇宙的膨脹率由減速再次變成加速!這一天顯然就發生在他們所發現之大霹靂後約 70 億年時!

可是愛因斯坦的宇宙論常數是啥東西呢?沒有人知道,但一定不是普通的物質,否則早就應該被發現了——因此科學家稱它為「暗能量」(dark energy)。物理學家及天文學家正努力地在尋找此一充滿了宇宙、及必須具有負內壓的怪物。

宇宙膨脹的藝術構想圖。 圖/維基百科

結論

今日大部分的天文學家都認為宇宙是平的(佛里曼解 1),是在膨脹、沒有界限、無限大的。黑洞及重力波的相繼發現鞏固了廣義相對論在現今宇宙研究的理論地位。我們現在所看到的宇宙只是整個宇宙之一小部分而已;138 億年前離我們最遠那些星群因為宇宙加速膨脹的關係,事實上現在都已經離我們 460 億光年了(因為不是運動造成的,它們可以以大於光速的速度遠離我們)。

很難想像一個沒有邊緣、無限大的空間是什麼樣子?在那裡又如何能不停地製造出空間來?……,這些無法理解的「矛盾」邏輯或許正是羅素(Bertrand Russel,1872-1970)所說的「認為事物必須有一個開始(邊緣、大小、結束、……)的想法,實際上是由於我們思想的貧乏」?或普朗克(Max Planck,1858-1947)所說的:「科學無法解開自然界的終極奧秘,因為歸根結底,我們自己是我們試圖解開的謎團的一部分」?

這使筆者想到:人工智慧是人類製造出來的,它能像我們一樣創造出牛頓力學、相對論、量子力學嗎[註2]?甚或超越人類創造出一個沒有「矛盾」的宇宙觀嗎?

筆者在「日常生活範式的轉變:從紙筆到 AI」一文裡最後提到:或許筆者下篇文章已經不是自己寫的了。讀者認為本文是人工智慧代寫的嗎?為什麼?

註解

  1. 黃駱賓:《青春舞曲》
  2. 筆者覺得不可能,因為筆者認為創造是屬於靈感和直覺的非理性活動,無法表達的;愛因斯坦曾謂:「我很少用語言思考。(雖然)一個想法出現了,我可能會嘗試用文字來表達它」。當我們無意識地思考時,邏輯及演繹推理就被拋在腦後;愛因斯坦曾謂:「我從來沒有通過理性思考的過程做出任何發現」。
    人工智慧有能夠有靈感、直覺、或無意識的思考嗎?還有,科學上不少大發現都是意外的,例如注意到胰臟被割除之狗,小便過的地板上蒼蠅特別多而發現了胰島素,忘了收拾細菌培養皿就去度假而發現了盤尼西林,錯誤的假設發現了量子統計力學等等。人工智慧如何「學習」或碰到這種運氣呢?

延伸閱讀

  1. 賴昭正:《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版):「量子統計的先鋒——波思」(科學月刊,1971 年 4 月號),「牛頓的水桶」(科學月刊,2011 年 8 月號),「愛因斯坦的最大錯誤——宇宙論常數」(科學月刊,2011 年 12 月號) ,「暗物體與暗能量」(科學月刊,2014 年 6 月號),「愛因斯坦其實沒那麼神?」(泛科學,2016/03/16)。
  2. 50年的追尋-宇宙之演化(科學月刊,2019 年 8 月號)。
  3. 宇宙是靜態還是在膨脹?又是誰先發現宇宙微波背景輻射?(泛科學,2022/04/22) 。
  4. 從圓周率與無理數,談數學也有其無法理解、不精確、和不確定性(泛科學,2019/06/03)。
  5. 賴昭正譯(P.C.W. Davies 原著):《近代宇宙觀中的空間與時間》(新竹國興出版社,1981 年 8 月出版)。
所有討論 1
賴昭正_96
42 篇文章 ・ 50 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

1

2
0

文字

分享

1
2
0
Starship 試射雖敗猶榮?萬眾矚目的星艦還有哪些新設計?
PanSci_96
・2023/05/07 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

Starship 試射影片。/
SpaceX YouTube

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

獵應九號以星際大戰系列中的「千年鷹(Millennium Falcon)」,和第一節擁有的 9 個引擎作為命名依據。圖/維基百科

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 。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

星艦(Starship)與超重型推進器(Super Heavy)原型機。圖/維基百科

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:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

所有討論 1
PanSci_96
1219 篇文章 ・ 2184 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。