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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)

活躍星系核_96
・2016/05/27 ・3570字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 429 ・四年級

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,X 博士告訴我們原來看 NASA 不能只是看非常壯觀的「假」火箭、太空船,還有很多看似不起眼但超級重要的「真品」,需要大家去展覽中搜尋。接下來要帶大家看的是太空人的生活日常,各種太空必需品到底跟我們在地球用的、吃的有什麼不一樣?

5. 堅忍的耐力 ENDURANCE

原來,太空人要包尿布?!

太空探索的任務相當嚴苛,所以需要各種裝備配合太空人執行任務。首先從解決太空人生理問題的裝備開始,這個一看就知道是什麼東西吧?像是這一件白短褲其實就是「太空尿布」。當然尿布不是這個展區最重要的東西,擺放的地方也不是非常顯眼或突出,但是大家走過去時都會對它指指點點說上幾句,我聽不懂韓文,但是從語氣和表情大概可以猜到說話的人是驚奇加上好笑吧!

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太空尿布。圖/作者攝影。

其實我沒有要大家看展都像我看這麼認真,休閒的看也不錯。不過如果在過程中誤會了某些展品的意義,而讓自己在特展中吸收到錯誤的知識那就不好了。

為什麼這麼說,我回台灣時會給我朋友看我拍回來的照片,很多人看到太空尿布這張照片的反應是:「原來太空人在太空尿尿都是尿在尿布裡喔~」。我相信也有很多人知道現代的太空船裡是有廁所的。我想強調的是,如果這些人沒看到這張照片,可能根本沒有想過太空人尿尿的問題,被問到太空人怎麼尿尿時也會回答「不知道」。知道自己不知道很好啊,不知為不知,是知也。但看到尿布之後,忽然就覺得太空人應該要穿尿布,如果沒有進一步去想這個問題,那可能就真的以為太空人只能尿在尿布上。自己引用一句我在科博館「科學的態度,決定你明日的高度」演講中所講的話:「科學學習中最危險的,不是無知、而是誤會」。錯誤的知識才是最可怕的。

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早期的太空任務太空人的確需要太空尿布的幫忙,但新一代的太空船就裝設了「便器」可以使用,而太空尿布就只會在發射、降落,還有進行太空船外的太空漫步時才會穿。尤其是發射過程常常會因為天侯或是其他因素延遲,但這時太空人得乖乖坐好,不能亂跑,如果發射過程延遲太久,太空人們也就只能這樣尿下去了。

最後強調一下,尿布兩個字不是我亂亂講的,我在韓國展的英文說明上真的看到它寫 diaper 這個說明,但它正式名稱應該是 Maximum Absorption Garment,翻成「高容量吸收服」好了。

那大家一定會想再問,發射、降落或太空漫步時想小便可以尿尿在尿布裡,那如果想大便怎麼辦?那……就忍著吧。

圖片中另外一個東西就是「屎袋」(這是我自己翻譯的),早期執行阿波羅任務時使用。屎袋用的時候就是貼在屁股上,便完後混入殺菌劑再包起來。因為用屎袋實在太麻煩,所以在上太空之前跟任務執行中都會吃一些消化完殘留較少,也就是比較不會變成糞便的食物。其實有些問題不一定要有人告訴你才會有答案,從常理判斷,如果明天早上就要坐飛機去美國了,今天消夜應該就會避免去吃可能會拉肚子的麻辣火鍋。

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太空食物好不好吃啊?(流口水)

Rotation-of-20160109_112425
太空食物。圖/作者攝影。

生活另一件大事就是吃,也就是太空食物,這個展示櫃中有各色各樣的太空食物。

太空食物指的是為了配合太空人執行任務時,不論是食用的方式也好、保存的方式也好,把原本地球上有的食物經過特殊的加工與包裝製成的食物。太空食物為了延長保存期限,大多會以真空方式做包裝,而真空包裝可以再分為袋裝、罐裝及軟管裝(就是像牙膏)。

從照片中來看,標示 1 是葡萄柚汁,標示 2 是咖啡,像這類液態的食物就適合用袋裝。洋芋泥與沙拉放袋子裡吃起來較不方便,所以就要放在像標示 5 這樣的罐子裡,威化餅這種東西容易碎掉,所以裝在 7 號這種罐子。裝在 17 這種牙膏容器的是「混合了糖的果子」,這是俄國太空食物,猜想應該像是含有果粒的果醬。延長食物保存期限有一個方法是脫水,把水果用糖去醃漬,因為水份滲透的關係將水果脫水,這就是為什麼蜜餞是水果做的,但卻比水果更不容易腐敗的原因。

看到 19 的時候真是讓我驚呆了,旁邊的說明寫的是 AMBASSADOR VODKA,VODKA 不是伏特加酒嗎?標示 17、18、19 都是蘇聯太空食物,蘇聯人愛喝伏特加酒也是很正常的事,但太空任務怎麼可能可以喝酒呢?其實這個裡面裝的是羅宋湯,只是在標籤貼上 VODKA 而已,太空人喝的羅宋湯有沒有加 VODKA 在裡面就不知道了。

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最後再強調一點,既然太空人帶上太空吃的食物就可以叫做太空食物,那有些食物本來就很「耐久」,這些食物就可以包裝好之後直接帶上太空。台灣特展的現場會有賣太空食物,現場會有哪些口味還不知道,但 X 博士在其他場合已經吃過很多種了,包括太空冰淇淋、太空草莓、太空香蕉、太空章魚燒、太空麻糬、太空布丁等。要問我是在哪裡買的,有些是在日本太空中心 JAXA 的筑波中心「JAXA宇宙航空研究開發機構筑波宇宙中心」,這也是一個可以預約參觀的地方,如果是日文版網頁找「預約見学」就有。他們在參訪後出口處的賣店有販售。從東京秋葉原坐筑波Expess可以到,下車後還要轉計程車。美國偶爾可以看到的Discovery channel store、台灣的賽先生科學玩具也可以買得到。另外一個是日本九州的太空世界Space World,這裡的賣店是我看過,在同一間店有賣最最多種太空食物的地方了。

買的時候要怎麼選?大家可以想一下,如果這個食物只是把它「包起來」就可以帶上太空的話,那你吃到的可能會跟一般地球上的味道差不多。以水果類來說,其實很多健康食品店也都有賣脫水的零食水果片,太空食物的水果就吃起來差不多。但太空冰淇淋脫水後吃起來就跟平常的冰淇淋很不一樣,至於是什麼味道,冰淇淋是乳製品,乳製品在常溫下脫水,大家可以想想看生活中有哪個東西擁有這樣的特性,大概就知道了。太空食物絕對沒有地球上食物美味,但買來吃吃看一定是難得的體驗。

太空布丁
作者與太空布丁。圖/作者攝影。

太空服用處多

接下來是太空服。展場中陳列的,下方圖中這件其實不是太空服,而是美國空軍(United States Air Force, USAF)用的高空壓力裝(high altitude pressure suit)。為什麼需要壓力裝?飛機飛得再快不會讓人不舒服;但飛機如果有很大的速度變化,或者是急轉彎,如果用國中理化的語言來講,就是有很大的「加速度」時,人的身體就會受到影響。

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美國空軍高空壓力裝。圖/作者攝影。

戰機在空中戰鬥時,常常需要有急轉彎、急爬升等劇烈的動作。飛行員雖然是坐在椅子上,但體內的血液是保持流動的。如果有一個急速爬升的動作,飛行員體內的血液會因為慣性的關係往下半身流,這時候如果腦內沒有足夠的血液,就會造成飛行員的暈眩,這種情形跟蹲久了忽然站起來會暈的意思一樣。要避免這種情形,飛行員的壓力裝會非常的「緊」,把血液用外力把它壓住,避免在戰機做劇烈的動作時造成飛行員的暈眩。

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太空服。圖/作者攝影。

其他後面幾件太空服也是大有來頭。包括了雙子星計畫、阿波羅計畫、水星計畫中的太空服都有展示。講到太空服,大家馬上聯想到的就是「太空中沒有空氣」,所以需要太空服提供太空人所需要的空氣。但是空氣的功能除了讓太空人可以呼吸之外,空氣也同時提供太空人與地面環境相近的空氣壓力,讓太空人的身體狀況可以維持正常運作。

除了空氣之外,它還有一些非常重要的功能。首先,地球上因為有臭氧層的保護,所以不會接收到太多從太陽來的紫外線,但太空人的活動環境在臭氧層外,所以就需要太空服來隔絕紫外線。而地球上還有由地球磁場所建立的磁層,磁層可以阻擋太陽所噴發出來的高速電漿粒子,也就是「太陽風」。極光就是由太陽風所造成的景觀。同樣的道理,身處於太空環境的太空人不像地面上可以受到磁層充足的保護,因此太空服也需要具有阻隔太陽風的功能。

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太陽風作用下的地球磁場藝術想像圖。圖/NASA, public domain, wikipedia.

 

J 編按:展覽中還有更多科學 X 博士沒辦法一一介紹的有趣展品,有興趣的朋友可以到 NASA 一場人類冒險台灣展中看看人類在太空探索中做的各種努力,換個方式一圓小時候那個太空夢。

故事從人類開始太空冒險之前講起—NASA特展搶先看(一)

真品沒人看 模型搶拍照—NASA特展搶先看(二)

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活躍星系核_96
778 篇文章 ・ 128 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

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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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執行太空任務囉!那是種怎樣的生活呢?——《俯視藍色星球》上
PanSci_96
・2019/07/15 ・3383字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 468 ・五年級

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那純白的銀色世界啊

白雪覆蓋的科德角和麻州東部。圖/大石出版提供

現在我想到地球的時候,想的都是顏色。

這種看東西的方式和我們一般在地球上很不一樣。2010 年 2 月,我的第一次太空飛行因為軌道路線的關係,整個任務期間我們都是白天飛在歐洲和亞洲上空,晚上在北美洲上空。

在第一次視野清晰的白天飛越(daylight pass)期間,我只見到一種顏色徹底凌駕所有顏色之上:白色。歐洲、俄羅斯、西伯利亞──都蓋上了一層白,尤其是冬天的時候。

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這樣的白不是只出現在歐亞大陸的某一個角落,或是某個特定區域,而是從一邊的地平線開始,連綿不絕地一直延續下去,彷彿包住了半個地球。

從太空中看到的加拿大,儘管已入春許久,從東岸到西岸都還是白茫茫的一片,但從上方看到的結冰形態十分迷人,往往和雲難以區分。圖/大石出版提供

從西邊的歐洲平原到東邊的堪察加半島,這是多麼大的一片土地啊,上面居然可以有這麼多的雪,連續幾千公里都是白的。我透過奮進號的窗戶,望著浩瀚無邊的色彩,才意識到在太空中我可以從一個多麼不同的角度來看國家。地球上的雪當然並不是都下在俄羅斯。2014 年 11 月,進入太空的幾天後,我們在一次白天飛越中剛好通過加拿大正上方,當時已經是一片白茫茫。

從那天第一次看見加拿大起,一直到後續幾天的觀察,有一件事是非常清楚的:加拿大從太平洋岸到大西洋岸這幾千公里都蓋滿了白雪,這個景象會一直持續到入春以後。除了雪原之外,還有令人驚豔的冰紋。

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我看到加拿大東部和哈德遜灣時,根本無法分辨哪裡是陸地,哪裡是結冰的水域。聖勞倫斯河看起來很奇怪,它的冰紋像雲一樣呈漩渦狀,也像一幅現代油畫作品。加拿大的雪原一直往南延伸到我的家鄉美國。

迷人的冰雪景觀

2015 年住在美國東岸的人都知道,那年冬天下了非常多的雪。不過美國和加拿大或俄羅斯這些非常寒冷的地區不一樣,美國的雪似乎總是有邊界的──你一定可以找到雪在哪裡結束,不是在亞利桑納州或新墨西哥州的沙漠(這裡是洛磯山脈的終點),就是在美國南方,紐約州和賓州的雪到了馬里蘭州和維吉尼亞州就會消失,變成較溫暖的森林。

不過最迷人而壯麗的冰雪景觀之一,是南美洲巴塔哥尼亞的冰川。這些深藍色高山湖被冰原圍繞,四周盡是雪與冰川形成的驚人紋路。在我想要造訪的新景點口袋名單中,巴塔哥尼亞冰原是第一名!

那些在太空中度過的節慶

我在太空中慶祝過幾乎每一個節日:感恩節、耶誕節、新年、復活節,當然還有棒球的開幕式,以及美式足球超級盃。每個組員也都有生日會,我們還會慶祝國際婦女節(3月8日)和國際勞動節(5月1日)。在太空中多的是舉行派對的理由。

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2014 年耶誕節,我戴著耶誕帽、拿著家人的照片留影。在第 42/43 號遠征期間,我們在太空中幾乎慶祝過每一個節日。圖/大石出版提供

2014 年秋天,我在感恩節前幾天抵達太空,這裡的節日氣氛當然和地球上很不一樣。作為一名軍方飛行員,我曾經派駐過世界各地,在韓國,中東和德國都曾經度過耶誕節和感恩節,所以不在家過節早就不是第一次了。但對我來說,確保在太空中也能慶祝這些特別的日子是很重要的。

我只有三天的準備時間,而且還在適應無重力狀態,所以準備工作得盡量簡單。我去食物儲藏室找關鍵食材,先抓了幾包火雞肉,然後去找配菜。到了感恩節那一天,我已經備妥了一整個夾鍊袋的傳統感恩節食物要和組員分享,尤其是我們的俄羅斯太空人,因為他們不熟悉美國人過節會吃什麼東西。

我們有輻射照射火雞肉、復水玉米麵包餡、玉米、糖漬山藥、馬鈴薯泥、各式各樣的茶和咖啡、還有藍莓櫻桃水果派。雖然我們沒有一整天都聞到火雞的香味,沒有每年都在感恩節舉行的達拉斯牛仔隊對決底特律雄獅隊的美式足球賽可以看,也沒有可以留到下個星期的剩菜,但我們能吃到這頓大餐確實要感謝很多人哪!

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時間似乎過得和我們的飛行速度一樣快,轉眼就到了和第 42 號遠征的隊友一起在軌道上慶祝耶誕節的時候了,雖然我們的家人都在地球上。任務控制中心特別在耶誕節前夕為我們安排了自由時間,也給我們準備了一些特別的驚喜。

中國新疆是個多山、多沙漠的偏遠地區。從太空往下看,幾乎每一個大陸都有類似這樣的山脈。圖/大石出版提供

我們在日本任務控制中心「太空站綜合推廣中心」(SSIPC)註1 的同事,為我們製作了一部短片,大約 25 名飛行控制員穿著耶誕帽、貼上耶誕老人的鬍鬚,用日語一邊跳舞一邊唱〈鈴兒響叮噹〉。組員都愛死了!不過我生日那天獲得的特別待遇幾乎和這個一樣棒,當時任務已經進行了一個星期,我們超酷的座艙通訊員(CAPCOM)註2雷斯利.林果(Leslie Ringo)特別找人裝扮成瑪麗蓮.夢露,在任務控制中心唱她那首著名的〈生日快樂,總統先生〉給我聽。

說驚喜實在不足以形容我當時的心情。而且那一整天所有控制中心(休士頓、莫斯科、日本、慕尼黑、亨茨維爾)都叫我「總統先生」,感覺很爽。可惜第二天我就被降回到「飛行工程師」的頭銜,讓我稍微體會到即將卸任的總統在接班人就職典禮上的心情。不過生日那天實在很有趣,更何況要在太空中待 200 天,有好玩的當然要儘量把握了!

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太空中,食物成為任務的亮點

感恩節大餐之後,我理解到食物對我每天的飛行有多重要,不只在節日的時候。休士頓的詹森太空中心的食品實驗室要面對的挑戰,就是如何讓太空人健康快樂。我們所有的食物都要在好幾個月前就製作包裝完成,所以能帶上太空的食物種類非常有限。例如我們不吃麵包,因為保存期限不夠久,而是用墨西哥玉米餅代替麵包──有的太空人每一餐都配玉米餅吃。

我們還有幾種不同類型的食物,有「包裝食品」,如袋裝鮪魚、牛肉乾,或是 M&M 巧克力;也有脫水食品,很多人認為的太空食品就是這一類,這是把肉類或蔬菜經過加工除去所有水分,然後真空密封在塑膠袋中。要吃的時候把這些袋子放進一臺機器,機器會把冷水或熱水灌進去,把它壓一壓搖一搖,等個十分鐘,一頓塑膠袋餐就完成了!我們還有用綠色金屬袋裝的即食菜,類似軍隊吃的口糧。

俄羅斯太空人伊蓮娜.瑟若瓦(戴鹿角者)與安東.謝克佩雷洛夫。俄國東正教的耶誕節是在12月25日之後的幾個星期,我們透過影片觀賞一群東正教神父在莫斯科太空控制中心唱耶誕歌曲,幫我們過節。圖/大石出版提供

各式各樣的肉類、蔬菜和甜點都是這種形式的包裝,用食物加熱器──和公事包差不多大的加熱板──加熱一下就行了,非常適合我這種人。我不想讓太空愛好者失望,不過我們的食物裡面沒有「太空人冰淇淋」這種東西,就是在世界各地博物館都可以找到的冷凍乾燥拿破崙派。我自己是很喜歡,但是我從來沒有在國際太空站上看到過。

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在太空中,異國食物是我們的救星。上太空半年後,再美味的食物也會讓人吃膩,這時食物的變化就是提升士氣最重要的助力之一。我選了歐洲和俄羅斯風味的食物作為獎勵食品,這對於我在整個任務期間的幹勁有很大的幫助。

我最喜歡的歐洲食物是魚,我們的美國貨櫃裡沒有這玩意兒;他們還有一種很有趣的提拉米蘇。俄羅斯的食物很讚,特別是他們的馬鈴薯泥和魚,當然還有我最喜歡的湯,羅宋湯。在太空中「吃」這件事變成我任務中的亮點,我在太空絕對吃得比我在地球上自己做飯的時候好。

比食物本身更重要的是大家一起吃飯那段時間。我們的主餐桌位於太空站的俄羅斯艙段,我發現來到這裡,花點時間和大夥兒聊聊今天過得怎麼樣,想想回到地球時打算做些什麼事,是讓我們日子過得下去的關鍵,也讓太空任務成為這麼美好的經驗。

註解:

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  1. SSIPC
    日本任務控制中心位於筑波市,在東京北方約一個半小時車程。我去過那邊幾趟接受飛行前的訓練,在實驗進行期間,或在太空站的日本區域做維修工作時,每天都會和他們通話。
  2. CAPCOM
    任務控制中心裡代表飛行主任和組員溝通的人。飛行主任負責指揮飛行控制小組,對任務的執行下達關鍵決定。

本文接續下一篇:從太空往下看!我們生活的地球究竟長怎樣呢?——《俯視藍色星球》中

——本文摘自《俯視藍色星球:一位 NASA 太空人的 400 公里高空攝影紀實》,2019 年 4 月,大石國際文化出版

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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)
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・2016/05/27 ・3570字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 429 ・四年級

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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,X 博士告訴我們原來看 NASA 不能只是看非常壯觀的「假」火箭、太空船,還有很多看似不起眼但超級重要的「真品」,需要大家去展覽中搜尋。接下來要帶大家看的是太空人的生活日常,各種太空必需品到底跟我們在地球用的、吃的有什麼不一樣?

5. 堅忍的耐力 ENDURANCE

原來,太空人要包尿布?!

太空探索的任務相當嚴苛,所以需要各種裝備配合太空人執行任務。首先從解決太空人生理問題的裝備開始,這個一看就知道是什麼東西吧?像是這一件白短褲其實就是「太空尿布」。當然尿布不是這個展區最重要的東西,擺放的地方也不是非常顯眼或突出,但是大家走過去時都會對它指指點點說上幾句,我聽不懂韓文,但是從語氣和表情大概可以猜到說話的人是驚奇加上好笑吧!

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太空尿布。圖/作者攝影。

其實我沒有要大家看展都像我看這麼認真,休閒的看也不錯。不過如果在過程中誤會了某些展品的意義,而讓自己在特展中吸收到錯誤的知識那就不好了。

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為什麼這麼說,我回台灣時會給我朋友看我拍回來的照片,很多人看到太空尿布這張照片的反應是:「原來太空人在太空尿尿都是尿在尿布裡喔~」。我相信也有很多人知道現代的太空船裡是有廁所的。我想強調的是,如果這些人沒看到這張照片,可能根本沒有想過太空人尿尿的問題,被問到太空人怎麼尿尿時也會回答「不知道」。知道自己不知道很好啊,不知為不知,是知也。但看到尿布之後,忽然就覺得太空人應該要穿尿布,如果沒有進一步去想這個問題,那可能就真的以為太空人只能尿在尿布上。自己引用一句我在科博館「科學的態度,決定你明日的高度」演講中所講的話:「科學學習中最危險的,不是無知、而是誤會」。錯誤的知識才是最可怕的。

早期的太空任務太空人的確需要太空尿布的幫忙,但新一代的太空船就裝設了「便器」可以使用,而太空尿布就只會在發射、降落,還有進行太空船外的太空漫步時才會穿。尤其是發射過程常常會因為天侯或是其他因素延遲,但這時太空人得乖乖坐好,不能亂跑,如果發射過程延遲太久,太空人們也就只能這樣尿下去了。

最後強調一下,尿布兩個字不是我亂亂講的,我在韓國展的英文說明上真的看到它寫 diaper 這個說明,但它正式名稱應該是 Maximum Absorption Garment,翻成「高容量吸收服」好了。

那大家一定會想再問,發射、降落或太空漫步時想小便可以尿尿在尿布裡,那如果想大便怎麼辦?那……就忍著吧。

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圖片中另外一個東西就是「屎袋」(這是我自己翻譯的),早期執行阿波羅任務時使用。屎袋用的時候就是貼在屁股上,便完後混入殺菌劑再包起來。因為用屎袋實在太麻煩,所以在上太空之前跟任務執行中都會吃一些消化完殘留較少,也就是比較不會變成糞便的食物。其實有些問題不一定要有人告訴你才會有答案,從常理判斷,如果明天早上就要坐飛機去美國了,今天消夜應該就會避免去吃可能會拉肚子的麻辣火鍋。

太空食物好不好吃啊?(流口水)

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太空食物。圖/作者攝影。

生活另一件大事就是吃,也就是太空食物,這個展示櫃中有各色各樣的太空食物。

太空食物指的是為了配合太空人執行任務時,不論是食用的方式也好、保存的方式也好,把原本地球上有的食物經過特殊的加工與包裝製成的食物。太空食物為了延長保存期限,大多會以真空方式做包裝,而真空包裝可以再分為袋裝、罐裝及軟管裝(就是像牙膏)。

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從照片中來看,標示 1 是葡萄柚汁,標示 2 是咖啡,像這類液態的食物就適合用袋裝。洋芋泥與沙拉放袋子裡吃起來較不方便,所以就要放在像標示 5 這樣的罐子裡,威化餅這種東西容易碎掉,所以裝在 7 號這種罐子。裝在 17 這種牙膏容器的是「混合了糖的果子」,這是俄國太空食物,猜想應該像是含有果粒的果醬。延長食物保存期限有一個方法是脫水,把水果用糖去醃漬,因為水份滲透的關係將水果脫水,這就是為什麼蜜餞是水果做的,但卻比水果更不容易腐敗的原因。

看到 19 的時候真是讓我驚呆了,旁邊的說明寫的是 AMBASSADOR VODKA,VODKA 不是伏特加酒嗎?標示 17、18、19 都是蘇聯太空食物,蘇聯人愛喝伏特加酒也是很正常的事,但太空任務怎麼可能可以喝酒呢?其實這個裡面裝的是羅宋湯,只是在標籤貼上 VODKA 而已,太空人喝的羅宋湯有沒有加 VODKA 在裡面就不知道了。

最後再強調一點,既然太空人帶上太空吃的食物就可以叫做太空食物,那有些食物本來就很「耐久」,這些食物就可以包裝好之後直接帶上太空。台灣特展的現場會有賣太空食物,現場會有哪些口味還不知道,但 X 博士在其他場合已經吃過很多種了,包括太空冰淇淋、太空草莓、太空香蕉、太空章魚燒、太空麻糬、太空布丁等。要問我是在哪裡買的,有些是在日本太空中心 JAXA 的筑波中心「JAXA宇宙航空研究開發機構筑波宇宙中心」,這也是一個可以預約參觀的地方,如果是日文版網頁找「預約見学」就有。他們在參訪後出口處的賣店有販售。從東京秋葉原坐筑波Expess可以到,下車後還要轉計程車。美國偶爾可以看到的Discovery channel store、台灣的賽先生科學玩具也可以買得到。另外一個是日本九州的太空世界Space World,這裡的賣店是我看過,在同一間店有賣最最多種太空食物的地方了。

買的時候要怎麼選?大家可以想一下,如果這個食物只是把它「包起來」就可以帶上太空的話,那你吃到的可能會跟一般地球上的味道差不多。以水果類來說,其實很多健康食品店也都有賣脫水的零食水果片,太空食物的水果就吃起來差不多。但太空冰淇淋脫水後吃起來就跟平常的冰淇淋很不一樣,至於是什麼味道,冰淇淋是乳製品,乳製品在常溫下脫水,大家可以想想看生活中有哪個東西擁有這樣的特性,大概就知道了。太空食物絕對沒有地球上食物美味,但買來吃吃看一定是難得的體驗。

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作者與太空布丁。圖/作者攝影。

太空服用處多

接下來是太空服。展場中陳列的,下方圖中這件其實不是太空服,而是美國空軍(United States Air Force, USAF)用的高空壓力裝(high altitude pressure suit)。為什麼需要壓力裝?飛機飛得再快不會讓人不舒服;但飛機如果有很大的速度變化,或者是急轉彎,如果用國中理化的語言來講,就是有很大的「加速度」時,人的身體就會受到影響。

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美國空軍高空壓力裝。圖/作者攝影。

戰機在空中戰鬥時,常常需要有急轉彎、急爬升等劇烈的動作。飛行員雖然是坐在椅子上,但體內的血液是保持流動的。如果有一個急速爬升的動作,飛行員體內的血液會因為慣性的關係往下半身流,這時候如果腦內沒有足夠的血液,就會造成飛行員的暈眩,這種情形跟蹲久了忽然站起來會暈的意思一樣。要避免這種情形,飛行員的壓力裝會非常的「緊」,把血液用外力把它壓住,避免在戰機做劇烈的動作時造成飛行員的暈眩。

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太空服。圖/作者攝影。

其他後面幾件太空服也是大有來頭。包括了雙子星計畫、阿波羅計畫、水星計畫中的太空服都有展示。講到太空服,大家馬上聯想到的就是「太空中沒有空氣」,所以需要太空服提供太空人所需要的空氣。但是空氣的功能除了讓太空人可以呼吸之外,空氣也同時提供太空人與地面環境相近的空氣壓力,讓太空人的身體狀況可以維持正常運作。

除了空氣之外,它還有一些非常重要的功能。首先,地球上因為有臭氧層的保護,所以不會接收到太多從太陽來的紫外線,但太空人的活動環境在臭氧層外,所以就需要太空服來隔絕紫外線。而地球上還有由地球磁場所建立的磁層,磁層可以阻擋太陽所噴發出來的高速電漿粒子,也就是「太陽風」。極光就是由太陽風所造成的景觀。同樣的道理,身處於太空環境的太空人不像地面上可以受到磁層充足的保護,因此太空服也需要具有阻隔太陽風的功能。

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太陽風作用下的地球磁場藝術想像圖。圖/NASA, public domain, wikipedia.

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J 編按:展覽中還有更多科學 X 博士沒辦法一一介紹的有趣展品,有興趣的朋友可以到 NASA 一場人類冒險台灣展中看看人類在太空探索中做的各種努力,換個方式一圓小時候那個太空夢。

故事從人類開始太空冒險之前講起—NASA特展搶先看(一)

真品沒人看 模型搶拍照—NASA特展搶先看(二)

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活躍星系核_96
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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

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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

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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。

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接著讓我們回到 NASA 特展韓國展的現場:

 4. 探險先鋒 PIONEERS

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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。

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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。

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SATURN V的發射逃生系統。圖/作者攝影。

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從另一個方向看 SATURN V。圖/作者攝影。

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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。

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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。

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圖/作者攝影。

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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。

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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。

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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。

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各種火箭的 1/72 模型。圖/作者攝影。

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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。

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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。

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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

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