【直上雲霄】太空旅行科學夢

■ 今年夏天美國太空梭亞特蘭提斯號完成最後一次飛行代表三十年載人飛行世代的終結。未來美國著眼於以民間可回收使用的商業火箭進行載人次軌道太空科學飛行。這些太空載具究竟是重要的研究工具,抑或只是個燒錢的無底洞?

發現號飛過摩洛哥。(圖片/NASA)

二○一一年二月二十四日, 美國太空總署(NASA) 的「發現號」太空梭呼嘯升空。太空梭主引擎的隆隆低響,以及火箭推進器斷斷續續的劈啪聲,響徹佛羅里達州中部鄉間,隨著太空梭升空漸遠漸去。由遠在六十五公里外的奧蘭多一家飯店陽台望去,火燄柱似悄然無聲地升起,宛若一個消逝時代的幽靈在寂靜中現身。這是「發現號」最後一次任務,距離整個計畫關門大吉,只剩下兩次太空梭飛行。美國從一九六一年五月五日,由太空人謝帕德 (Alan Shepard) 進行十五分鐘的太空飛行開始,長達五十年的載人太空飛行經典年代,即將劃下句點。

在「發現號」發射三天後,在那家奧蘭多飯店的酒吧裡,兩位行星科學家在跟一群研究員閒聊,談論接下來要幹嘛。杜達 (Daniel Durda) 一邊啜飲著他的飲料,一邊感嘆過了半個世紀,上太空飛行的不過區區只有五百人左右。能夠抵達人類最終邊疆的機會,仍然僅限於少數受雇於強國跟大企業的人,再加上偶爾幾個想去外太空兜風的億萬富翁。任職於西南研究所 (SwRI) 科羅拉多州博爾德市分部的杜達說,「我希望任何人都能夠上太空,無論他們是出於什麼理由上去的。」

他的同伴,同樣任職於西南研究所的歐金 (Catherine Olkin) ,也表示認同。「接下來我們要幹嘛才是重點。太空裡多的是機會,不只是做科學,對每個人來講都是如此。」

「每個買得起票的人都會去。這會像是開發荒野大西部一樣。」

------史騰

這群人在此聚會的主題,是接下來要幹嘛。受到近年來過多的商業公司,設計火箭用以承載儀器以及付費乘客,穿越大氣層的邊緣進入太空,到達地球上空一百多公里處的成長趨勢所啟發,下一世代次軌道研究者大會 (NSRC) 召開了第二次的年度會議。「次軌道」意指載具下降後不進入軌道,但是依然會給研究者寶貴的時間,來進行沒有大氣層干擾的天文觀測,或是研究無重力狀態下的物理過程。

參與大會的人們,因為西南研究所已編列一百三十萬美元預算,進行為期四年的次軌道科學計畫的消息,而喧騰不已。這筆預算中的一部份,會用來為杜達、歐金,以及他們的同事,西南研究所研發部副總裁史騰 (Alan Stern) 預留太空飛行物上的座位。倘若一切照表操課,這三位研究者在二○一三年中,將以全副武裝的太空人姿態,到太空中飛行。

到目前為止,西南研究所是唯一有此計畫的研究機構。大家也都知道此事得來不易:所有次軌道旅行的領先公司,都還沒有把載具送進太空,再使其返還的經驗。每個未來飛行的座位,將會索價十幾萬美元,卻只能給研究者不到五分鐘脫離大氣層的「失重懸浮時間」。若以大多數的資料收集需求來說,以無人火箭上裝載自動化設備發射升空,跟載人上去的效果一樣,因此有許多太空科學家,對於商業化的次軌道太空飛行有何用處,持懷疑的態度,尤其是針對那些研究者還要帶設備上去的情況。

但是那些質疑的人,卻沒有幾個參加了奧蘭多的那場大會,現場的氣氛可說是一片熱絡。沒有人比史騰更能具體表現這種感覺:他沒能參加當晚在飯店酒吧裡聚會的原因,是因為他正忙著跟發射火箭的業界人士商議細節,更別提他準備要主持小組討論,對全體成員發表演說,還要召開記者招待會。

史騰在 NASA 航向冥王星的「新地平線」計畫中擔任主任研究員,又是 NASA 科學任務理事會的前任主席,向來就以搞大計畫著稱,他跟杜達協助組織起來的 NSRC 就是一例。他經常拿新芽乍放的次軌道產業,與商業航空飛行以及個人電腦產業的早期日子相提並論。他在《自然》雜誌訪問時表示,現在再也不是有個中央集權的太空計畫, NASA 手握登上太空梭的鑰匙,每個人都得通過這個體系,才能上太空的時代了。每個買得起票的人都可以去太空,還會創造出一堆創新跟變化。這會像是開發荒野大西部一樣。

諷刺的是,這個「中央集權」的太空計畫,數十年來都倚賴私人火箭才得以進行。大部分的通訊衛星,甚至機密的軍事載物,都是裝在商用發射器上射入軌道的。同樣無人的私人次軌道太空飛行也不稀奇,很多公司都打著「探空火箭」的旗號,招攬在太空進行測量與實驗的業務。

問題在於這些發射器實在太貴,只有政府跟大型通訊公司才負擔得起。費用很貴的原因之一,在於這些發射器都是「消耗性的」,用一次就丟掉。 在一九七○年代,NASA發展出一個部分可重複使用的太空梭飛船隊,試著消弭大多的浪費。但是在實際上,要設計出能夠承受發射跟重返大氣層的壓力,還能夠整備再次飛行的載具,其工程難度更甚於可重複使用的好處,而且造價貴得嚇人。

現在這批太空梭屆臨退役,NASA 又試著要讓發射太空梭的成本降低,這回他們鼓勵私部門,研發便宜火箭以及能抵達近地軌道的人員太空艙。比方說 在今年四月時,NASA就撥款兩億六千九百萬美元的研發經費給四家公司,其中一家位於加州的 SpaceX 公司,成功發射了獵鷹九號火箭,並且在二○一○年六月率先進入軌道。

Orbiter Atlantis (STS-110) Launch With New Block II Engines

商業企業

就目前情況來看,民間企業比較把努力放在次軌道之上,這不但成本較低,潛在客戶也更多。次軌道的競賽始於二○○四年,當時試飛員梅威爾 (Mike Melvill) 多次駕駛一艘私人研發的可重複使用太空梭「太空船一號」,飛到美國加州莫哈維沙漠上空一百多公里的高度。不久之後,「太空船一號」的設計者魯坦 (Burt Rutan) 與維京航空執行長布朗森 (Richard Branson) 合夥,成立「維京銀河」公司,以每個座位二十萬美元的價碼,招攬遊客搭乘目前尚在研發中,六人座的「太空船二號」太空飛機,進行離地一百一十公里高的次軌道短程旅行。

還有其他的新興公司跟進,其中許多公司是電腦與網路產業出身,見證了太空夢與有利可圖的高科技事業之間的共生關係。這些公司裡頭有位於美國德州希斯市的「犰狳航太」,由電玩大作《毀滅戰士》與《雷神之錘》的電腦圖形大師卡馬克 (John Carmack) 創立資助;有位於華盛頓州肯特市的「藍色起源」,這是創立亞瑪遜網站的貝索斯 (Jeff Bezos) 用他賺來的一小筆錢設立的;有位於加州莫哈維市的「梅斯頓太空系統」,由前資訊科技網路大亨梅斯頓 (David Masten) 創立;還有同樣位於莫哈維市的「 XCOR 航太」,掌舵的是協助英特爾奔騰系列電腦晶片所用技術的工程師葛瑞森 (Jeff Greason) 。

這些企業家認為,次軌道太空飛行最有利可圖的應用之一,就是太空旅遊,不過起碼在一兩年內還無法實現。同時,為了要增加發射名單,並且補助無人的測試飛行,各公司都開始與研究機構、政府機關,以及想要在次軌道上進行科學實驗,口袋殷實的獨立研究者合作。前面提到的五家公司,今年全都派代表來參加 NSRC ,希望能夠跟更多像是西南研究所之類的客戶媒合。西南研究所已經訂了八個次軌道飛行的座位,還在考慮追加九個,將由「維京銀河」的「太空船二號」,以及 XCOR 的「山貓號」提供服務。

參與奧蘭多大會的人,大多無需鼓動,每個人都是一副亟望登機的樣子。天文學家談到在大氣層上空架起望遠鏡,以中紅外線搜尋月球上的水,觀測行星、彗星與小行星。行星科學家詳述了研究塵埃碰撞如何形成行星的微重力實驗。大氣科學家在討論如何對位於大氣層上層,高度超過氣象探測氣球所能抵達的範圍,卻又低於衛星偵測範圍,因此還沒有什麼探索過的「忽略層」,進行原地採樣。材料科學家則是渴望研究微重力對於諸如內燃過程造成的影響。

但是個別研究者的熱忱是一回事,要他們任職的機構付錢買票是另一回事。比方說 NASA 就跟「犰狳航太」與「梅斯頓太空系統」簽約,付了將近五十萬美元,進行七趟飛行服務,把一些工程設備運上去。但是 NASA 還沒獲准購買次軌道乘客的機票(這兩家公司目前都比較專注於無人飛行業務),而且已經購買的這些飛行趟數,沒有一趟真的會去太空,計畫中最高只會飛到四十公里高的地方。

發射公司要賣掉那些乘客座位,就必須說服決策者,他們的可重複使用載具,比起上到失重太空環境的既有方式,要來得好處多多。研究者可以每趟只花個幾萬美元,訂購一架客製化的飛機,去飛一系列的拋物線軌跡,用三十秒的暴衝製造微重力的效果,每趟飛行可以累積五到十分鐘的微重力時間。或者他們一次花到一兩百萬美元,就能夠把自動化裝備放到探空火箭上,在遠高於地球大氣層的地方,獲得多達二十分鐘的微重力時間。新的商用載具能力各有差異,不過一般來說大概是介於兩個既有的選項之間:這些商用載具可以升到三十到一百公里高的地方,提供三到五分鐘的無重力時間。

史騰等支持者認為,雖然可重複使用的太空載具,停留在太空的時間很短暫,但是可以藉頻繁的飛行次數來做補償。史騰表示,他身為主任研究員,都還要花上將近十年的時間,才從 NASA 手上弄到七次探空火箭的飛行,但是西南研究所在一年之內,就把這八次的太空飛行任務都飛完了。他說光是「維京銀河」一家公司,就有六台載具在做每日飛行, XCOR 每天會飛上四趟,「藍色起源」則說他們一個星期會飛一次。這讓他們擁有前所未有上太空的機會。

人類元素

1979年,女太空人安娜費雪(Anna Fisher)訓練中。

但是人類真的需要在這種實驗裡跟著一起飛,承擔這些風險與複雜度嗎?史騰說這樣做有兩個好處,他的論點跟 NASA 在一九六○年代的阿波羅計畫之後,載人太空飛行支持者所用的論點大致相同:一者再也不必付錢把實驗搞成自動化,再者可以容易地對資料蒐集做出即時反應,並且在實驗裡做改變,以取得較佳的結果。

為了展示那些優點,西南研究所的研究員打算進行三個示範實驗。第一個「岩石盒子」實驗,是把石頭碎片跟瓷磚放在透明盒子裡,藉此模擬鬆散的材質,如何在表面重力很低的小行星上沈澱下來。第二個實驗用到一個在一九九七年架在太空梭上飛行,經過整修的紫外線望遠鏡,透過太空艙的窗戶,觀測天文物體與大氣層上層現象。第三個實驗則是利用「生物器具」,監控並記錄乘客在不同載具的飛行狀態下,其血壓、心跳率等生理參數是如何變化。

NASA 科學任務理事會首席科學家赫茲 (Paul Hertz) ,對此持保留態度。他對於可重複使用的次軌道載具,在科學上的潛在應用,態度大致上是樂觀的,但是對於天文觀測實驗把人扯進來是否會有用,則不是那麼有信心。他說這些飛行相對而言為時甚短,要先把觀測計畫訂好,實在不是那麼強人所難的事。

美國約翰霍普金斯大學天文學家麥克坎德利斯 (Stephen McCandliss) ,認同赫茲的見解,他說座位跟維生系統的重量,會造成太空飛行效能大減。麥克坎德利斯利用探空火箭,進行紫外線天文實驗已有二十多年,他說可重複使用的載具能做的事,一經比較就相形見絀了。

史騰承認探空火箭極為寶貴,它們能夠飛得更高,指向系統更為精密,還能夠承載商用可重複使用載具無法承載的東西。但是可重複使用載具可以飛行的次數多得多,成本低了十到二十倍,還能夠把科學家連同儀器一起送上太空。他說這就像是爭論餐桌上要放叉子還是湯匙一樣,目的各有不同,豈能一概而論。

曾經是太空梭太空人,目前擔任美國太空望遠鏡科學研究所副所長的葛倫斯菲德 (John Grunsfeld) ,對於新載具是否比探空火箭更好,也持懷疑態度,不過他承認可重複使用的載具,可為科學研究提供全新的契機。

葛倫斯菲德表示,這第一波的載具並不一定具有給科學增色的真正潛能,但它們未來有望載人,經常性地頻繁前往失重空間,停留更長的時間,甚至更好能抵達地球軌道。這種可能性反過來,會促進具有想像力的科學創新,那在政府機關與大型學術機構,可能過不了同儕審查的那一關。葛倫斯菲德當然也很謹慎,認為那種科學創新的價值還有待觀察。

對史騰來說,常態性次軌道太空飛行的價值,不應該僅以補助金數目,以及同儕審查論文發表數量來加以衡量。他在 NSRC 的一個討論時段中,對聽眾說倘若他們對次軌道科學的興趣,主要是起源於對於太空飛行的渴望,那也沒什麼好感到難為情的。

史騰表示,大多數的科學家,並不怎麼瞭解人類太空飛行可以多有啟發性。他說要一頭栽進科學研究裡比較困難,職業生涯能夠賺更多錢的時候,可就簡單些了。但是倘若日常生活裡的教育家與研究者,能夠到學校裡跟學童說說他個人飛入太空的經驗,那效果可是非比尋常的。他說催生這個新的產業,並且製造這產業所帶來的契機,就可以對未來貢獻一份心力。

這項訊息似乎在 NSRC 裡引起迴響。在研討時段之中以及之後,人們談到如何激發下一代的研究者大有所為,譬如說從衛星上巨大的太陽能面板將能源射回地球,造訪小行星區,殖民月球或到火星旅行等事務的時候,次軌道科學的相關討論經常會插進對話裡。對於大多數聚集在會議室與飯店酒吧裡的科學家來說,民主化的次軌道飛行,確實就像是一張空白的投影幕,他們至少可以把人類拓展的當前計畫與未來夢想,投射到太陽系的其他部分。

葛瑞森說,許多人很不願意高談闊論,或許也沒辦法總是侃侃而談他們為何要作一趟太空之旅,但他們中很多人想要的,是在打造未來的工作裡參一腳。他自己也不例外,他說他幹這一行的原因,就是因為他覺得,這可能會成為某個會持續非常、非常久事物的開端。

原載於【知識通訊評論月刊一〇四期】2011.06.01

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