【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？

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。

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

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