漫談太空旅行 (三)
前一篇<漫談太空旅行 (二)> 提到：Richard Branson 搭乘的SpaceShip Two在2021年7月11日拔得頭籌，實現首次載人太空旅行。9天之後， Jeff Bezos 於2021 年7月20日也實現太空處女航，搭載的火箭是他的新創公司「藍色起源」 (Blue Origin) 發展的第一個「次軌道」(suborbital) 火箭 -- 取名為New Shepard，是為紀念美國第一位太空人Alan Shepard而命名的。
什麼是「卡門線」(Karman line)？
New Shepard是可重複使用的火箭，能夠搭載六名太空人飛出海拔100公里的「卡門線」(Karman line) -- 世界公認的太空邊際線。Karman line的命名為表彰並紀念上世紀航空科研領域的泰斗馮卡門 (Theodore von Karman)，他曾經研究航空飛行的高度極限。von Karman首次計算出：在83.6公里（51.9英里）高度附近，由於空氣過於稀薄，飛行器難以在此高度產生足夠支持航空飛行的升力。所以，飛行器的速度必須比軌道速度快很多，才能夠獲得足夠的升力來支撐自身重量。除了空氣過於稀薄之外，飛行器處在「中氣層」(Mesosphere) 頂端的海拔高度時，空氣與燃料難以充分混合，普通航空器所依靠的引擎是無法正常運作的。
為什麼New Shepard 有一個蘑菇頭外型？
Jeff Bezos要求太空人座艙要能夠容納六個人，並有足夠空間讓乘客體驗漂浮，所以Blue Origin設計出蘑菇頭外型的New Shepard原型機。此外，座艙頂部還藏有大小各三個降落傘，座艙正中間安裝有一固態小火箭又稱為「逃生火箭」。當大火箭在發射台及推進階段萬一發生意外，頂部座艙的小火箭會自動點燃並與大火箭分離以保人員安全。這是Blue Origin從NASA 阿波羅登月火箭意外折損三位太空人所學習到的教訓。
當初New Shepard公布原型機設計時曾引起媒體熱議，大眾都以詼諧的眼光調侃此一設計。但是學過航太工程的人知道那是針對任務目標所做出的妥協，從空氣動力及控制的角度來看，不可否認那是極為聰明的設計。基本上New Shepard是頭大身小的「榔頭型」( Hammerhead) 設計 -- 座艙底部是直徑12呎的蘑菇頭，但是推進引擎的燃料桶則較為細長。要把兩個直徑不同的物體聯結在一起勢必需要一個過渡階段。這種榔頭型的火箭設計在以前也常見，只是一般的「過渡段」(inter-stage) 設計是採用錐型，直徑尺寸由大逐漸縮小，主要是考慮到減少空氣阻力，而且看起來比較不這麼突兀。
為什麼New Shepard在inter-stage採取環型鰭翼設計呢？
以往火箭的「推進段」 (booster) 在燃燒完畢後即分離丟棄，但是New Shepard推進段是要回收並重復使用的。燃燒完的推進段 (spent-stage, 包括BE3引擎) 要能夠自動返航並降落到指定地點。為達成spent-stage回收目的，它就必須要能夠像飛機一樣地飛行返航，但是回收時的spent-stage處於無推進動力的狀態，需要靠空氣動力滑翔。
New Shepard 在起飛升空時，火箭底部的鰭翼其中二個是以液壓制動，在低空時協助可轉向火箭噴嘴做方向控制。因為是空氣動力穩定設計，正如上一期所解釋：起飛時「壓力中心」(Center of Pressure, cp) 需要落在「重心」(Center of Gravity, cg) 的後方 (或稱下方)，但是spent-stage在返航時是底部朝向地球飛行，所以cp的位置就必須從火箭底部往inter-stage方向轉移，而且必須超過cg 的位置，落在cg 的上方。
New Shepard 的工程師在返航的inter-stage 設計出一魚兩吃的聰明作法。與其說是inter-stage，實際上那是「環形鰭翼」，只是在上昇推進階段，鰭翼是隱藏起來的，只有在與座艙分離後才展開。環形鰭翼結構等分四象限、並固定在火箭外殼上，其直徑為12呎恰好可與座艙結合。支撐環形鰭翼的結構是四條剖面為小半圓弧形隆起結構，一直延伸到火箭外殼的底部。其作用不但增強火箭外殼強度還可以限制氣流沿著外殼旋轉，避免氣流旋轉產生的「誘導滾動」(Induced Roll) ，增加飛行姿態控制上的難度。
spent-stage在回收時，四片環形鰭翼會展開，同時還有八片阻力片也同時張開以產生「煞車效應」，但是環形鰭翼是固定翼無法被控制，主要設計目的是為調整cp 位置。原來火箭底部的可控制鰭翼(就是原來的尾翼)在火箭外殼回收時反而成為「前置翼」(canard)。就這樣靠著前置翼將spent-stage 駛向指定著陸點上方1500米高處，然後再重新點燃「可控節流」(throttle-able) 的液態引擎(BE3) ，讓一個將近20公噸的龐然大物spent-stage能夠像羽毛一樣緩緩下降 -- Blue Origin公司的Logo就是一根羽毛，像徵人類千年來追求自由飛翔探索的夢想。
在太空旅行的科普文章裏，談到這麼多的設計細節，只是希望能夠激發年輕讀者對航太工程及太空旅行的興趣。
作者：
黃國華博士退休前在美國Huntsville的Troy7, Inc. 擔任總工程師(Chief Engineer)，這家公司提供美國國防部飛彈防禦署(Missile Defense Agency, MDA)及NASA技術支援。黃博士有多年導航與控制(Guidance and Control)及彈道軌跡設計經驗，他全職支援MDA，並在靶彈部門的導彈軌跡組擔任組長。
王志强博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist)，1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業；他的斜槓人生還擔任過：安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理，中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。