2009年6月17日 星期三

大氣層邊緣的羽毛球

「One small step for [a] man, one giant leap for mankind」這是Neil Armstrong踏足月球時的名句,那是1969年7月的事。至今,美國仍是唯一成功載人登月的國家;四十年來,從地球跨至月球那「一小步」,對其他國家來說,仍是遙不可及的「一大步」。月球的荒涼,跟四十年前並無兩樣。

看近一點,情況截然不同。離地面約36000公里是同步衛星的軌道所在,其他人造衛星則多數在500至1500公里的高空運轉,穿梭機常到的國際太空站位於350公里(你沒看錯,同步衛星是太空站高度的一百倍)。同步衛星以下的空間,佈滿人類文明的痕跡。這片空間早已不是國家、政府的專利,自八十年代始,已有私人企業幹發射衛星的生意。在有錢使得鬼推磨的廿一世紀,只要付得起錢,也大可到國際太空站一遊,盛惠二千萬美元。

靜靜告訴你,其實這是「搵笨」的價錢。早陣子,Virgin Galactic推出的太空旅遊,只要二十萬美元,便可到太空一趟。你沒看錯,是前者百分之一的價錢。若我沒有估錯,你心中的問題立即從「有冇咁傻嘅人」變為「有冇咁大隻蛤乸」,儘管這是一隻十分昂貴的蛤乸。先旨聲明,我跟Richard Branson和Virgin Galactic沒有任何關係,我只是好奇,怎可能同樣上太空,價錢卻是差天共地。

原來,關鍵是「太空」和「軌道」二字。先說「太空」。地球的大氣層,越高越稀薄,但沒有絕對終止於某一高度,故「太空」的定義頗費思量。箇中的科學理據不贅,現今廣泛採用的標準,是太空始於海拔100公里。再說「軌道」。發射穿梭機或人造衛星,目的是用火箭把它們推進至預定的高度和速度,使其不用燃料也可繞著地球轉,太空沒有空氣阻力,故達至足夠速度和上了軌道之後,物體會一直繞圈下去,此稱orbital spaceflight。發射物體上「太空」,十居其九都是要把之放上「軌道」,我們遂把兩者等同了。事實上,飛上超過海拔100公里的高空(即上太空)不一定繞著地球轉(即上軌度),舊的例子有最終「跌」落敵方城市的洲際彈道飛彈,新的例子有最終安全「跌」回地面的Virgin Galactic太空船。不上軌度的太空之旅,叫sub-orbital spaceflight

到國際太空站一遊,要高至350公里和快至接近每秒8公里的速度(這是太空站的速度,它不能停下來等你);Virgin Galactic的所謂太空之旅,只要高過100公里和沒有速度限制。兩者價錢的差距,此為一重要因素。不要誤會,我不是質疑Virgin Galactic的產品質素,只是強調「上太空」有很多種。以政治、科學為目的,與以商業為主導的太空營運,兩者有根本上的分別。

上太空靠火箭,Virgin Galactic也不例外;可是,它的火箭不是地面發射,而是空中發射。這意念並不新穎,只是行外人未必見過。因此,升空系統包括兩部份:母船火箭。母船把火箭帶到50000英尺高空,然後火箭與母船分離,下墜數秒後便會啟動,一飛沖天,把艙內六位乘客和兩位機長送至110公里的太空(比要求超出10公里,可見Branson是誠實商人)。母船外型特別,一塊長長的機翼下面有兩個瘦長的機身,類似雙體船,兩個機身分別位於機翼三分一和三分二的位置,火箭在中間,掛在機翼之下。空中發射的好處很多。首先,不用發射台,只需一條夠長夠闊的跑道。其次,火箭載的燃料可以減少,因為首50000英尺由母船代勞。其三,發射時間、位置、方向的彈性;舉例,一般民航機最高可飛至45000英尺,母船攜火箭至其上,便可避過航道的交通;不只避過交通,還可避過惡劣天氣。


火箭到達太空,又怎樣?大家最期待的,應該是無重狀態吧。全程會有約四分鐘的無重狀態。想說明一點,火箭並沒有逃出地球的引力,無重的出現只是因為火箭的燃料用盡,向上的推進力消失,火箭遂處於自由落體(freefall)的狀態。「自由落體」不代表物體立即向下墜落,只是除了地心引力以外,沒受其他外力影響。當你把網球向上拋,從它離開你手的一剎開始,便成自由落體,儘管它仍然上升。若球內住有昆蟲,它們也可享受片刻的無重。這是一個很好的比喻,因為Virgin Galactic的火箭就像一個被猛力向上拋,差點掙脫地心吸力但又難逃一跌的網球,由於它失去動力時擁有的高速和高度,故可維持自由落體達四分鐘之久。四分鐘後,乘客便要返回座位,預備降落。


穿梭機重返大氣層的時候,機身與空氣磨擦產生高熱,Virgin Galactic的火箭沒有這個問題,原因有二。首先,飛得越慢,磨擦產生的熱量越少,未上軌道的火箭比上了軌道的穿梭機慢得多。其次,亦是此火箭最獨特之處,就是它有一雙「可掀起」(feathering)的機翼;回航時,機師會把機翼掀起,把火箭拖得更慢,使磨擦產生的熱量更少。這機翼還有一個乘客未必知曉,但很受機師歡迎的特點,就是它能自動穩定機身,不用機師主動操作。羽毛球就是一個能夠「自動穩定」的設計,無論你怎樣拋,它都能夠以同一方式著地;把一支鉛筆拋上空中,我保証每次著地的方式都不同;網球看似穩定,其實不然,它是不斷旋轉的。如羽毛球的設計,令火箭無論以什麼方向、怎樣旋轉重返大氣層,憑藉流體力學的自動操控,產生自動調節的效果,完全避免人為或軟件的錯誤,大大增加旅程的安全性。

(說明:掀起了機翼的火箭)

除Virgin Galactic外,不少公司正在研究提供類似服務,無論將來的競爭對手採用怎樣的科技,我認為空中發射是正確的選擇。發射時間和起飛選址的彈性,是太空旅遊普及化的重要條件。此外,母船除了發射太空旅客,也可發射人造衛星,替公司開拓財源。繼陸地、海洋、天空之後,太空將是資本主義下一個開發的領域。

(2009年6月17日信報副刊)

給你多一點背景資料,對閱讀以下相關連結有幫助:

母船和火箭各有自己的名字,前者叫WhiteKnightTwo,後者叫SpaceShipTwo。很明顯,現在推出市場的已是這系統的第二個版本。第一版本是WhiteKnightOne加SpaceShipOne,2004年贏了X Prize,但沒有推出市場。

設計這系統的公司是Scaled Composites,主設計師是Burt Rutan。Virgin Galactic只是license他們的technology。

相關連結:
Virgin Galactic Unveils Suborbital Spaceliner Design (23 January 2008)

Virgin Galactic Spaceline: Mega-Mothership Set for Rollout Debut (06 June 2008)

Virgin Galactic (and others) hope to launch the age of space tourism (11 September 2008):很詳盡的介紹,非常好的報導,也有競爭對手的簡介。

The Space Fellowship News: Scaled Composites / Mojave Aerospace Ventures:緊貼最新消息……

Notes on Rutan presentations at EAA Oshkosh:系統設計師親口敘述,第一手的technical資料。

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