漫談太空旅行 (二)

上一篇<漫談太空旅行 (一) >提到:Richard Branson 搭乘的SpaceShip Two雖然只是略為飛出大氣層,但是太空飛行的困難度依然非常高,2021年7月11日Richard Branson太空處女航乘坐的維京太空船(VSS Unity)是維京第二代,也稱太空船二型(SpaceShip Two) ,它是由一架雙體母艦機EVA載運從地面起飛,飛行到海抜16公里處,VSS Unity 與母艦機分離,一秒鐘後才在空中點燃其固液混合火箭引擎,以近乎垂直角度爬升,在兩分鐘左右的時間爬升到73公里,穿越地球大氣層的外緣,最終飛到最高點86公里處。

圖片來源:Virgin Galactic公布圖片

至於飛到86公里高有什麼意義呢?根據世界空中運動聯合會World Air Sports Federation只要超過80公里高度就可認定進入太空,乘客都可稱為太空人。VSS Unity 所設計的運載能力除了正副飛行員可以載四個乘客做太空旅遊,旅遊路徑是以拋物線飛昇到最高點,上升到太空邊緣後再滑行下來,大約有四分鐘的無重力狀態,雖然可以從窗戶看到無限美好的藍色地球,但是所費不貲,因為目前一張機票定價為25萬美金。

 

VSS Unity飛行中的意外插曲

VSS Unity的外型類似太空梭(Space Shuttle),機身附有機翼和尾舵設計在於考量從最高點下降返回地球時,可以採取滑翔的方式回到地面。VSS Unity是靠飛行員採螺旋盤行以滑翔方式返航。因為航機此時是處於無動力狀態,飛行路徑的控制就變得很重要。返回進入大氣層那一刻航機位置必需在預定的「滑行圓錐」(Entry Glide Cone)範圍內,不然可能無法降落在跑道上。

在2021年7月11日這次飛行,VSS Unity在爬升階段(高度約30公里處)控制台上黃色警示燈號曾經亮起,可能遭遇到3 sigma設計以外的強風,導致爬升斜度不足(機鼻未達垂直朝上的飛行姿態),因為VSS Unity的外型是屬於空氣動力穩定型設計,限制了火箭引擎的方向控制力(Control Authority),因而導致偏離FAA核准的飛行「軌跡範圍」(trajectory envelope) – 這種情況被稱為「風標效應」(Weather Vane Effect)1

VSS Unity的火箭引擎燃燒時間大約一分鐘,在燃燒結束前幾秒鐘,控制台上這次出現了紅色警戒,意味著飛行軌跡已偏離太多,導致航機不能進入「滑行圓錐」(Entry Glide Cone)。 VSS Unity未依照標準作業程序(SOP)在紅色警示燈號亮起時,中止原訂航程而返回。當時飛行員做了冒險決定繼續飛行,雖然最終也安全著地,不過在Richard Branson風光返回地球後,VSS Unity隨即收到禁飛令。

 

VSS Unity 設計需要改善的地方

VSS Unity的外型類似太空梭,航機機體設計屬於空氣動力穩定型,所以重心(center of gravity, cg) 位置會落在空氣壓力中心 (center of pressure, cp) 的前方。當航機遇到頂頭風(head wind)時,機頭會上仰、機體攻角(angle of attack) 會增加,攻角增加升力(Lift)就會隨之增加;因為cg 在前,所增加升力就會產生力距將機頭壓低、減小攻角、進而降低升力,以保航機的穏定飛行。

圖片來源:Virgin Galactic公布圖片

同理如上:假如航機遇到側風,機頭就會像「風標」(風向儀) 一樣轉向迎風方向,雖然航機得到穩定,但是航跡就會偏離預定航道。如果航機在推進狀態具備方向控制能力,那麼航跡還可以被導正。但是問題是:空氣動力穩定性愈高的設計所需的方向控制能力就要愈高。

VSS Unity 遇強風而偏離航道在機體設計上存在瑕疵,或許是因為風洞測試數據不充份,導致電腦動力六個自由度(6 Degree of Freedom, 6DOF)的模擬不夠精確,產生實際飛行上意想不到的結果,這些狀況都是VSS Unity後續航行需要補強飛行模擬所需要的數據。

在結束本文前,要跟讀者分享一個觀念:當電視畫面出現Richard Branson在VSS Unity機艙內漂浮在空中,可能會認為這是太空中無重力的狀態,其實讀者看到所謂的「無重力」現象只是一種從最高點下降時的「自由落體」現象。

「漫談太空旅行」(二) 討論VSS Unity的太空之行,下一期會討論到Steve Bezos的Blue Origin太空之行,以及Elon Musk的Space X公司計劃發射1.2萬顆衛星組成的「星鏈」(Starlink)計劃。

 

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附註1.「風標效應」(Weather Vane Effect) : 所謂「風標效應」就是起飛或落地時若側風很大,再加上機身垂直尾翼尺寸大小之因素,機身有可能會隨著風向偏向。 飛機就會像氣象觀測設備中的「風向儀」(風標)一樣,隨風打轉。

 

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。

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