0

0
0

文字

分享

0
0
0

真品沒人看 模型搶拍照—NASA特展搶先看(二)

活躍星系核_96
・2016/05/26 ・3115字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 478 ・五年級

文/蕭俊傑(科學 X 博士)|國家太空中心任務科學家

J 編按:在上一篇中介紹人類從開始幻想上太空,到真真正正開始啟動各種太空計畫,以及美蘇之間緊張刺激的太空競賽。接下來,人類前往太空已不再是夢想,我們逐漸發展出各種高科技,帶領我們探索地球之外的宇宙奧秘。

我在韓國首爾 NASA 展看到一個很有趣的現象:假的東西大家搶著看、真的東西大家不知道怎麼看

看展花錢、花時間,除非你很清楚你的目的是只是想要拍照、打卡、上傳,不然如果能在看展前對內容多一點了解,那在看展時就會更知道要看什麼門道,上傳 FB 時也可以多打幾個字,讓你的朋友們知道照片中這個東西到底有多厲害!

什麼是展場中「假的東西」,什麼又是「真的東西」。我講「假的東西」不是策展單位故意拿假的東西給你看,我舉個例子來講,像是火箭、太空船已經被射到太空中去了,怎麼可能拿出真的來給你看呢?為了讓民眾能了解它的樣子,所以需要一個「模型」來展示,讓大家從視覺上來感受這個沒有辦法出現在現場的東西。那什麼又是「真的東西」?玻璃櫃中展示的 V2 彈道飛彈的碎片,就是其中重要的真品。V2 彈道飛彈是世界上第一個長距離彈道飛彈,在二次世界大戰時出現。雖然它的外觀看起來沒有火箭模型炫,但在看一個科學特展時如果想要更深入的去欣賞一個展品的話,把感情與歷史放進去將一起來看就會有不同的感受。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

接著讓我們回到 NASA 特展韓國展的現場:

 4. 探險先鋒 PIONEERS

052109
圖/作者攝影。

這個展區中介紹了很多重要的火箭與引擎。

在這邊可以看到農神五號火箭(SATURN V),它是史上最大的火箭,高度達到 110.6 公尺。登陸月球的阿波羅計畫就是使用農神五號火箭。這邊常常聽到一個大家對火箭名稱的誤解。SATURN V 這個名字指的並不是「這一支火箭」的火箭,而是「這一型火箭」,SATURN V 一共發射了 13 次,阿姆斯壯他們登陸月球是第 6 次。

 

640px-Saturn_V_launches
SATURN V 的 13 次發射。圖/By Maldoror – nasa.gov, Public Domain, wikipedia.

從照片中可以看出在火箭最前端的地方,有一個像是尖塔的東西,那其實是太空人的逃生裝置發射逃生系統(launch escape system, LES)。在太空人登上火箭後,如果在火箭發射過程初期發生問題,LES 會帶太空人離開火箭,等到火箭升空到一定高度後,為減輕重量 LES 會脫離火箭,而如果在那之後火箭才發生問題,那太空人就自能自求多福了。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
052104
SATURN V的發射逃生系統。圖/作者攝影。
052113
從另一個方向看 SATURN V。圖/作者攝影。

除了最搶眼的 SATURN V,這裡還有泰坦一號(TITAN I)的引擎。有些火箭會分節(stage),第 1 節、第 2 節、第 3 節是從火箭下方往上算,最下面的叫第 1 節。TITAN I 是美國第一枚多節式洲際彈道飛彈,共有兩節。火箭的目的是把太空船或是衛星(這些會稱為火箭的酬載)送上太空,但火箭的重量遠遠超過酬載本身,也就是說太空船或是衛星本身重量不重,重的是把它送上太空的火箭。所以為了減輕重量,火箭把部份燃料用完之後,就會把第一節(stage 1)脫離,第二節引擎點火繼續飛向太空。但大家也不要覺得把火箭分節可以減輕重量,所以分節分越多越好。因為分節雖然有減輕重量的好處,但卻有以下壞處:

1. 脫離失敗

火箭節與節之間是用像是「栓」這樣的東西鎖在一起,脫離時是用適量的火藥把栓炸斷,如果炸栓過程不順利,就有可能脫離失敗。

2. 點火失敗

第一點火箭脫離後,第二點火箭的引擎就要接著點火。就像家中瓦斯爐的電子點火,有時第一下火沒點起來,我們可以點第二下、第三下。第一節火箭在地面上點火,如果點火失敗還可以補救;第二節以上的火箭都要在空中點火,如果點火失敗任務就玩完了。

以上兩點都要在空中進行,兩節火箭(TITAN I)要做一次空中脫離+點火、三節火箭(SATURN V)要做兩次空中脫離+點火。這些動作都是做越多次越危險。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

3. 引擎太多

每增加一節,就需要增加一組引擎,引擎不但占重量,而且要花錢。所以太多節也會有引擎太多的缺點。發射前只有第一節引擎是外露的,第二節以上的引擎都是包在火箭本體裡面,所以大家在展場看 TITAN I 引擎的時候,不用看說明就知道哪一個是第一節,因為第一節的會長得比較大。

052114
圖/作者攝影。
052103
圖/作者攝影。

4. 結構變弱

一個完整的火箭,如果分太多節,想也知道整個結構強度會減低,這也是一個分節的缺點。

展示櫃中有一個很顯眼的牛仔帽,這個是火箭之父華納.馮.布朗(Wernher von Braun)的,雖然與太空科學沒有直接關係,但也算是重要的歷史文物了。旁邊皫碎片就是我前面提到的在二次世界大戰時出現,世界上第一個長距離彈道飛彈 V2 彈道飛彈的碎片。

052105
編號 5 是華納.馮.布朗的牛仔帽;編號 3 是世界上第一個長距離彈道飛彈 V2 彈道飛彈的碎片。圖/作者攝影。

這個展示櫃中是各種火箭與太空梭的模型,所有的比例都是 1/72。大家可以對各種火箭的大小有個比較。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
052106
各種火箭的 1/72 模型。圖/作者攝影。

最後有一個我覺得很可愛的東西,展區入口有一塊玻璃,感覺上好像是一塊透明的黑板。這是一個拍照的好地方,大家可以站在玻璃的這一邊,假裝在跟其他人講解太空船軌道相關原理,拍照的人從玻璃的另一邊來拍照。

052100
展場入口的玻璃。同行的中視型男主播就跟作者在這塊玻璃前面做了訪問。影片將會在特展強力宣傳時播出。圖/作者攝影。

這片玻璃上面的公式跟圖我簡單介紹一下:大家國中時都學過 F=ma,這是牛頓第二運動定律,F 是力,m 是質量,在地球上的很多狀況就直接等於重量,a 是加速度。我用很不嚴謹的白話來講就是「讓一個東西加速需要花力氣、把一個東西減速也需要花力氣,而這個東西重量越重,這個力氣也要越大」。如果不計任何阻力(空氣阻力也不計),讓一個東西一直保持一樣快(a = 0)是不需要力氣的。我們身邊的東西常常會有速度的增加或減少,學校也會有題目叫我們算說把 100 公斤的物體從靜止加速到多少,需要花多少的力氣。大家注意一下這個題目:它告訴你把「100公斤的物體」,其實已經設定了這個物體的質量是固定的,但在太空中的太空船的質量會改變的,像是脫離、燃料減少,或是把東西放在月球上、從月球又帶了石頭回來等等的原因,都會改變太空船的質量,所以在用 F=ma 這個公式時,不止 a 會變,m 也會改變。(你在這塊玻璃前面講前面這段話,應該可以唬住一些人吧!)

我本來以為是韓國展場的裝潢而非展示品的一部份,後來經過確認這片玻璃也會在台灣展出現。

 

J 編按:這趟旅行還沒有結束,人類上太空不只靠火箭、太空船,還有很多在太空生活的必需品,食衣住行樣樣不能少阿!

故事從人類開始太空冒險之前講起—NASA特展搶先看(一)

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

太空人只能尿在尿布上?誤會比無知更危險—NASA特展搶先看(三)

本文轉載自作者網站科學X博士

文章難易度
活躍星系核_96
752 篇文章 ・ 119 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

0

4
0

文字

分享

0
4
0
快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
193 篇文章 ・ 297 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

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

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
1214 篇文章 ・ 2068 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
真品沒人看 模型搶拍照—NASA特展搶先看(二)
活躍星系核_96
・2016/05/26 ・3115字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 478 ・五年級

文/蕭俊傑(科學 X 博士)|國家太空中心任務科學家

J 編按:在上一篇中介紹人類從開始幻想上太空,到真真正正開始啟動各種太空計畫,以及美蘇之間緊張刺激的太空競賽。接下來,人類前往太空已不再是夢想,我們逐漸發展出各種高科技,帶領我們探索地球之外的宇宙奧秘。

我在韓國首爾 NASA 展看到一個很有趣的現象:假的東西大家搶著看、真的東西大家不知道怎麼看

看展花錢、花時間,除非你很清楚你的目的是只是想要拍照、打卡、上傳,不然如果能在看展前對內容多一點了解,那在看展時就會更知道要看什麼門道,上傳 FB 時也可以多打幾個字,讓你的朋友們知道照片中這個東西到底有多厲害!

什麼是展場中「假的東西」,什麼又是「真的東西」。我講「假的東西」不是策展單位故意拿假的東西給你看,我舉個例子來講,像是火箭、太空船已經被射到太空中去了,怎麼可能拿出真的來給你看呢?為了讓民眾能了解它的樣子,所以需要一個「模型」來展示,讓大家從視覺上來感受這個沒有辦法出現在現場的東西。那什麼又是「真的東西」?玻璃櫃中展示的 V2 彈道飛彈的碎片,就是其中重要的真品。V2 彈道飛彈是世界上第一個長距離彈道飛彈,在二次世界大戰時出現。雖然它的外觀看起來沒有火箭模型炫,但在看一個科學特展時如果想要更深入的去欣賞一個展品的話,把感情與歷史放進去將一起來看就會有不同的感受。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

接著讓我們回到 NASA 特展韓國展的現場:

 4. 探險先鋒 PIONEERS

052109
圖/作者攝影。

這個展區中介紹了很多重要的火箭與引擎。

在這邊可以看到農神五號火箭(SATURN V),它是史上最大的火箭,高度達到 110.6 公尺。登陸月球的阿波羅計畫就是使用農神五號火箭。這邊常常聽到一個大家對火箭名稱的誤解。SATURN V 這個名字指的並不是「這一支火箭」的火箭,而是「這一型火箭」,SATURN V 一共發射了 13 次,阿姆斯壯他們登陸月球是第 6 次。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

 

640px-Saturn_V_launches
SATURN V 的 13 次發射。圖/By Maldoror – nasa.gov, Public Domain, wikipedia.

從照片中可以看出在火箭最前端的地方,有一個像是尖塔的東西,那其實是太空人的逃生裝置發射逃生系統(launch escape system, LES)。在太空人登上火箭後,如果在火箭發射過程初期發生問題,LES 會帶太空人離開火箭,等到火箭升空到一定高度後,為減輕重量 LES 會脫離火箭,而如果在那之後火箭才發生問題,那太空人就自能自求多福了。

052104
SATURN V的發射逃生系統。圖/作者攝影。

052113
從另一個方向看 SATURN V。圖/作者攝影。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

除了最搶眼的 SATURN V,這裡還有泰坦一號(TITAN I)的引擎。有些火箭會分節(stage),第 1 節、第 2 節、第 3 節是從火箭下方往上算,最下面的叫第 1 節。TITAN I 是美國第一枚多節式洲際彈道飛彈,共有兩節。火箭的目的是把太空船或是衛星(這些會稱為火箭的酬載)送上太空,但火箭的重量遠遠超過酬載本身,也就是說太空船或是衛星本身重量不重,重的是把它送上太空的火箭。所以為了減輕重量,火箭把部份燃料用完之後,就會把第一節(stage 1)脫離,第二節引擎點火繼續飛向太空。但大家也不要覺得把火箭分節可以減輕重量,所以分節分越多越好。因為分節雖然有減輕重量的好處,但卻有以下壞處:

1. 脫離失敗

火箭節與節之間是用像是「栓」這樣的東西鎖在一起,脫離時是用適量的火藥把栓炸斷,如果炸栓過程不順利,就有可能脫離失敗。

2. 點火失敗

第一點火箭脫離後,第二點火箭的引擎就要接著點火。就像家中瓦斯爐的電子點火,有時第一下火沒點起來,我們可以點第二下、第三下。第一節火箭在地面上點火,如果點火失敗還可以補救;第二節以上的火箭都要在空中點火,如果點火失敗任務就玩完了。

以上兩點都要在空中進行,兩節火箭(TITAN I)要做一次空中脫離+點火、三節火箭(SATURN V)要做兩次空中脫離+點火。這些動作都是做越多次越危險。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

3. 引擎太多

每增加一節,就需要增加一組引擎,引擎不但占重量,而且要花錢。所以太多節也會有引擎太多的缺點。發射前只有第一節引擎是外露的,第二節以上的引擎都是包在火箭本體裡面,所以大家在展場看 TITAN I 引擎的時候,不用看說明就知道哪一個是第一節,因為第一節的會長得比較大。

052114
圖/作者攝影。

052103
圖/作者攝影。

4. 結構變弱

一個完整的火箭,如果分太多節,想也知道整個結構強度會減低,這也是一個分節的缺點。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

展示櫃中有一個很顯眼的牛仔帽,這個是火箭之父華納.馮.布朗(Wernher von Braun)的,雖然與太空科學沒有直接關係,但也算是重要的歷史文物了。旁邊皫碎片就是我前面提到的在二次世界大戰時出現,世界上第一個長距離彈道飛彈 V2 彈道飛彈的碎片。

052105
編號 5 是華納.馮.布朗的牛仔帽;編號 3 是世界上第一個長距離彈道飛彈 V2 彈道飛彈的碎片。圖/作者攝影。

這個展示櫃中是各種火箭與太空梭的模型,所有的比例都是 1/72。大家可以對各種火箭的大小有個比較。

052106
各種火箭的 1/72 模型。圖/作者攝影。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

最後有一個我覺得很可愛的東西,展區入口有一塊玻璃,感覺上好像是一塊透明的黑板。這是一個拍照的好地方,大家可以站在玻璃的這一邊,假裝在跟其他人講解太空船軌道相關原理,拍照的人從玻璃的另一邊來拍照。

052100
展場入口的玻璃。同行的中視型男主播就跟作者在這塊玻璃前面做了訪問。影片將會在特展強力宣傳時播出。圖/作者攝影。

這片玻璃上面的公式跟圖我簡單介紹一下:大家國中時都學過 F=ma,這是牛頓第二運動定律,F 是力,m 是質量,在地球上的很多狀況就直接等於重量,a 是加速度。我用很不嚴謹的白話來講就是「讓一個東西加速需要花力氣、把一個東西減速也需要花力氣,而這個東西重量越重,這個力氣也要越大」。如果不計任何阻力(空氣阻力也不計),讓一個東西一直保持一樣快(a = 0)是不需要力氣的。我們身邊的東西常常會有速度的增加或減少,學校也會有題目叫我們算說把 100 公斤的物體從靜止加速到多少,需要花多少的力氣。大家注意一下這個題目:它告訴你把「100公斤的物體」,其實已經設定了這個物體的質量是固定的,但在太空中的太空船的質量會改變的,像是脫離、燃料減少,或是把東西放在月球上、從月球又帶了石頭回來等等的原因,都會改變太空船的質量,所以在用 F=ma 這個公式時,不止 a 會變,m 也會改變。(你在這塊玻璃前面講前面這段話,應該可以唬住一些人吧!)

我本來以為是韓國展場的裝潢而非展示品的一部份,後來經過確認這片玻璃也會在台灣展出現。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

 

J 編按:這趟旅行還沒有結束,人類上太空不只靠火箭、太空船,還有很多在太空生活的必需品,食衣住行樣樣不能少阿!

故事從人類開始太空冒險之前講起—NASA特展搶先看(一)

太空人只能尿在尿布上?誤會比無知更危險—NASA特展搶先看(三)

本文轉載自作者網站科學X博士

文章難易度
活躍星系核_96
752 篇文章 ・ 119 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

0

5
3

文字

分享

0
5
3
睽違三年,重磅回歸:獵鷹重型的現在與未來
EASY天文地科小站_96
・2022/11/04 ・2560字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 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。

USSF-44 任務中獵鷹重型火箭的升空與著陸。圖/SpaceX

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。

獵鷹九號火箭。圖/SpaceX

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。

發射台上的獵鷹重型火箭,可以清楚的看到並排的芯級與助推器。圖/SpaceX

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。」

Falcon Heavy 首飛官方剪輯

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。

獵鷹九號(與其子型號)與獵鷹重型發射次數統計,可以看到比起馬不停蹄的獵鷹九號,獵鷹重型的發射是多麼稀少。來源:維基百科,2022.11.04 數據。

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。

發射直播回顧。

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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)。
圖/NASA/JPL-Caltech/Arizona State Univ./Space Systems Loral/Peter Rubin|N
  • 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)。
月球門戶太空站(左下)與 Dragon XL 無人貨船。圖/NASA
南希.葛莉絲.羅曼太空望遠鏡 Nancy Grace Roman Space Telescope。圖/NASA (WFIRST Project and Dominic Benford)
  • 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!

EASY天文地科小站_96
23 篇文章 ・ 1351 位粉絲
EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事