漫談太空旅行 (五)

(前情提要:<漫談太空旅行 (四)>)

這一期我們繼續介紹Elon Musk的SpaceX公司所推出的「星艦號」(Starship)。

太空火箭家族

上一期我們介紹了SpaceX 的Falcon 9 (獵鷹九號)火箭,這一期讓我們談談它最新發展並正在測試的「星艦號」(Starship)。在提Starship 之前,讓我們先瞭解一下目前世界上最強而有力的火箭(參見下圖)

圖片來源:英國國家廣播公司(BBC)公布的圖片

 

上圖SpaceX的「重量級獵鷹號」(Falcon Heavy)可帶的「負載」(Payload)重量是Delta IV Heavy(運載火箭排名第二)的二倍 -- 它的第一節是由三具Falcon 9火箭綑綁而成,共有27顆Merlin引擎,其推力大約是18架波音747巨無霸客機總合,可以把一架波音737客機連同150名乘客及行李送上太空進入軌道。三具Falcon 9火箭都會被回收 -- 左右兩邊的Falcon 9火箭先分離,中間那具燃燒較久,也飛得較遠,所以會降落在外海平台上。左右兩具Falcon 9火箭為陸地降落,觀賞這兩具Falcon 9 火箭同時降落的美姿堪比奧運雙人同步跳水還要精彩。

SpaceX 公司的火箭越做越大,就是為了要實現Elon Musk 移民火星的夢想。Elon Musk似乎瞭解世界上物質成住壞空的道理,他認為在太陽不斷的擴張情況下,地球在幾百萬年之後可能就不適合人類居住。Elon Musk的太空移民計劃就是要引起人們對太空探索的興趣,並且一起努力為我們未來的子子孫孫找尋延續人類生命與文明的可能。

阿波羅(Apollo)與阿提米斯(Artemis

Elon Musk認為尋延續人類生命與文明,首先得要解決「交通工具」問題(例如,飛機、汽車、腳踏車等),往返太空的交通工具一定要可以重複使用,就如同最基本的腳踏車也都不是一次性的交通工具,因為太空旅行是要能夠往返的。往火星移民的目標邁進前,先得在月球上建立適合人類長期居住與工作的實驗站;有了月球實驗站的成功經驗,才能在火星移民上複製這個成功經驗,因為畢竟往返月球比前往火星要近得多。這個想法與「美國航空暨太空總署」(NASA)目前重返月球的「阿提米斯計劃」(Artemis Program)不謀而合。SpaceX 就是靠這個「星艦號」(Starship)打敗了包括Jeff Bezos的Blue Origin,以及另外三家公司嬴得了NASA 合約。NASA 在60s / 70s年代有「阿波羅登月計劃」(Apollo Program),在希臘神話裏「阿提米斯」(Artemis) 就是「阿波羅」(Apollo)的孿生妹妹。

阿提米斯(Artemis)使用的火箭

SpaceX的「星艦號」(Starship)由兩節完全可重複使用的火箭組成 -- 50公尺長的「上節」(upper-stage)就是Starship,安裝在第一節「超級重量級」(Super Heavy)的運載火箭上。Starship加上運載火箭的總長達120公尺,比阿波羅登月所使用的「農神5號運載火箭」(Saturn V)還高(參見上圖),但是直徑9公尺略小於Saturn V的10公尺。

有別於Falcon 9 使用的Merlin 引擎,Starship 將採用新研發的「猛禽引擎」(Raptor),引擎燃料採用甲烷(CH4),氧化劑還是用低溫液態氧。使用甲烷是因為Elon Musk 認為:CH4 可以從火星上的水與火星大氣中的CO2以「薩巴捷反應」(Sabatier process)合成,這樣就可以解決Starship從火星返航的燃料問題。

圖片來源:三顆Raptor大氣引擎測試 (SpaceX公布圖片)

 

Starship裝置有六顆Raptor引擎,位於中線的三顆引擎是「大氣引擎」(sea-level engines) 具備「可轉向噴嘴」(Gimbaled Nozzle),其可產生gimbaled thrust作為pitch 與yaw方向的姿態控制。大氣引擎只在重返地球降落時減速及姿態控制之用;外圍的另外三顆引擎則是噴嘴固定的「真空引擎」,用來向高軌道或火星推進之用。上圖照片顯示的是目前裝在垂直起降測試中的三顆Raptor「大氣引擎」。

火星移民計劃

Starship 有不同的型號,代表所執行的不同任務,例如載貨的、載人的、運送燃料的(太空加油)、以及往返月球的,其運載能量可以說是前所未有。因為根據Elon Musk的想法:Starship要能夠載100位乘客前往火星,單程飛行時間大約是120天,所以在飛往火星的太空軌道上會需要加油。現在聽起來好像天方夜譚,說不定到時候吃一顆長效安眠藥,一覺醒來就抵達火星了。

目前SpaceX 正在佛羅里達州甘迺迪角如火如荼的建造火箭及發射台。預計明年(2023年)完成繞月飛行,屆時第一位進入月球軌道的平民百姓將會是一位日本的億萬富豪前澤友作,因為他搶到第一張「機票」的頭彩。

要將150公噸的Starship送上太空就得靠SpaceX正在發展的超級重量級(Super Heavy)火箭,它將安裝35顆Raptor猛禽引擎,其昇空推力是阿波羅登月計劃所使用的Saturn V火箭的二倍推力。Starship 和 Super Heavy 推進火箭都會被回收,而且還要能夠快速重飛。由於Starship 重返地球的速度超過20倍音速,其結構材料所選擇的「隔熱層」(heat shield)設計,以及導航與控制都更具挑戰。

重返地球大氣層,Starship要靠整個機身來產生最大阻力以減速,機身以60度傾角做幾乎水平飛行有點像「翼裝飛行」(Wingsuit Flying)。Starship選用不鏽鋼合金301當外殼,並在迎風面貼上六角形瓷片以達到隔熱效果,待進入大氣低層再導正機身,點燃引擎減速降落。

「機械哥吉拉」(Mechanical Godzilla

第一節Super Heavy火箭的回收方式令人匪夷所思:它在任務完成後直接降落回到發射台上;Super Heavy火箭起飛是從空橋柵門發射,完成任務後、降落回到空橋柵門、加滿油又可以再重新起飛。這個正在甘逎迪角興建的發射台,Elon Musk 給它取名為Mechagodzilla -- 意思是「機械哥吉拉」(Mechanical Godzilla)。看過1974年上映的哥吉拉大戰鐵金剛電影的人就會知道這個名字的來由。

Mechagodzilla 發射架裝有像一雙筷子形狀的機械夾臂;Super Heavy火箭推進完畢與上節Starship分離後會啓動自動返航程式,當這個120公噸龐然大物接近發射架時就在觸地前一刹那兩隻機械夾臂要像筷子一樣夾住火箭圓柱部位、並利用頂端的網格鰭翼卡住以防滑落。讀者可以拭目以待這種不可思議的穿針引線的技術。

圖片來源:美國甘逎迪角興建中的Mechagodzilla發射台(SpaceX公布圖片)

 

「漫談太空旅行」(五)先談到這裡,下一期我們繼續介紹SpaceX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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