漫談太空旅行 (四)

(前情提要:<漫談太空旅行 (二)><漫談太空旅行 (三)>)

前面兩期我們談了Richard Branson 和Jeff Bezos,這一期讓我們談談Elon Musk。

從PayPal到SpaceX

和前面兩位企業家一樣,Elon Musk 也是在千禧年之後才開始開拓太空事業版圖,但是他走的是相對傳統的航太產業商業模式。Elon Musk從電子商務支付系統PayPal賺得創業的第一桶金,然後用eBay在2002年以15億美金購買PayPal的資金設立SpaceX及其他幾家新創公司。

SapceX經過多年努力,它的商用太空發射業務在2017年佔到全球市場的一半,相較於Blue Origin至今每年還靠Jeff Bezos賣亞馬遜股票,狂燒十億美金。就「太空旅遊」這個項目來説,Elon Musk似乎落後前面兩位企業家,但是SpaceX的「飛龍號太空船」(Crew Dragon) 在2020年11月15日就已經將四名NASA太空人送上「國際太空站」(ISS) – 這是SpaceX第二次的載人飛行任務,同時也終結了美國過去9年需要仰賴「俄羅斯聯合號」(Soyuz) 火箭送太空人上太空站的窘境。

圖片來源:Falcon 9 發射軌跡 (SpaceX公布圖片)

 

星際大戰飛艇Millennium Falcon

Elon Musk 很早就有建立「火星綠州」的夢想,他在2001年曾經跑到俄羅斯,考慮採購現成的便宜火箭,但是空手而歸。在回程的飛機上,Elon Musk思考著製造火箭有這麼難嗎,為什麼不自己來。Elon Musk要創造出「價格可負擔得起」(affordable) 的火箭,因為當時美國所有的火箭發射業務都是由兩、三家公司把持。由於這兩、三家公司長年都做NASA 和軍方的生意,一方面競爭少,另一方面規範特別嚴格,所以火箭發射費用就變得非常昂貴,以致於某些商用衞星發射不得不採用中國長征火箭、法國的亞利安火箭,甚至是俄羅斯的聯合號火箭。Elon Musk的想法就是要降低成本 -- 非必要的零組件就不使用軍規,而是盡可能採用現成的商規成品,再加上模組化的軟體,可重複使用的硬體,從而建立起「垂直整合」(Vertical Integration) 的創新商業模式。

Elon Musk是科幻電影「星際大戰」(Star War) 的大粉絲,所以SpaceX火箭 ”Falcon” (繁體字”鶻”,簡體字”隼”) 就是以星際大戰電影中的飛艇Millennium Falcon命名。SpaceX發展的第一顆火箭Falcon 1是兩節單引擎液態火箭,總共花了將近一億美金。經歷三次發射失敗,SpaceX幾乎破產,終於在第四次才發射成功。Falcon火箭的靈魂就是SpaceX自行開發的液態引擎Merlin,使用的燃料是從煤油精煉出來的RP1噴射機燃油,氧化劑則是低溫液態氧。Merlin 液態引擎經不斷地改良,現在已經進入第四代。

由於Falcon 1 的成功,NASA 隨後給予SpaceX太空站的運補合約,這項「及時雨合約」使得SpaceX能夠在財務上起死回生。因為要增加火箭的運載能力,SpaceX開始開發Falcon 9 (台灣國家太空中心NSPO翻譯為「獵鷹九號」)。 這個9表示它的第一節推進火箭有9顆Merlin液態引擎;第二節火箭還是使用Merlin單引擎。Falcon 9 的起飛推力大約等於12架波音787客機推力的總和。這十顆引擎由三組獨立又互相監控的電腦系統控制達到三重安全保障。

台灣的「福衞五號衛星」在2017年8月25日就是搭乘Falcon 9火箭,從美國加州范登堡空軍基地升空,進入720公里高度的「太陽同步軌道」(Sun Synchronous Orbit) -- 有別於大家比較熟悉的「地球同步軌道」(Geoynchronous Orbit),太陽同步軌道高度較低、適合福衛五號的地表成像(imaging) 用途。

我當然還是愛你 (Of Course I Still Love You)

Falcon 9 的特點是可以回收重複使用。SpaceX是實際應用「垂直起降」(Vertical Take Off and Landing, VTOL) 技術實現火箭回收的始祖。第一節火箭在海拔100公里左右脱離,它會自動返航降落在指定的陸地定點、或是外海的無人平台上 – 下圖這個海上無人平台被暱稱為:「我當然還是愛你」(Of Course I Still Love You),讀者可以從圖片上找找看這個暱稱。SpaceX一共有三艘「海上無人平台」(Drone Ship),在大西洋上的兩艘Drone Ship分別被暱稱為:Just Read the Instruction、A Shortfall of Gravitas。

圖片來源:Falcon9第一節回收火箭降落在「海上無人平台」(SpaceX公布圖片)

 

Falcon 9的返航控制是靠三種裝置合力完成,首先靠可重新點燃的Merlin引擎將回收火箭飛回降落點上空,熄火並掉頭再點燃減速 -- 在太空中翻跟斗的姿態控制是由氮氣推進器完成。當回收火箭降入到大氣層之後,安裝在頂部的四片網格鰭翼會展開、產生空氣動力、持續導引回收火箭到降落點上空;在一公里高空左右Merlin主引擎被重新點燃減速,回收火箭展開四隻降落腳架並緩緩落地。

根據Elon Musk的說法,Falcon 9 的大部分組件可重複使用100次,目前已達11次的紀錄,這種紀錄在十多年前是難以想像的。至於為什麼不回收第二節火箭,原因很簡單 -- 不合經濟效益,因為第二節火箭分離時的速度已經達到第一節火箭的四倍,而且離開發射點已經很遙遠,就算可以轉向飛回來,那麼就必須填裝更多的燃料,所增加的燃料重量勢必會減少發射時的「負載」(payloads) 能量。況且第二節引擎的「噴嘴」(Nozzle) 要比第一節引擎的噴嘴大得多,因為第二節的噴嘴設計是針對空氣密度稀薄的高空飛行,即所謂的「真空引擎」(Vacuum Engine),這種引擎設計是不適合在大氣中飛行,所以只好讓第二節火箭重返地球,藉著大氣摩擦所產生的高熱將它燒成灰燼。

「漫談太空旅行」(四)先談到這裡,下一期我們會繼續介紹SpaceX公司的「星艦計劃」(StarShip),以及該公司計劃發射1.2萬顆衛星組成的「星鏈計劃」(Starlink)。

 

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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