- 文／火星軍情局局長，作家兼部落客，經營火星軍情局，關心未來的人類文明在宇宙中的地位。
近年來，隨著太空科技民營化，各家私人太空集團如雨後春筍冒出，如 SpaceX 、藍色起源 (Blue Origin) 、維珍銀河(Virgin Galactic) 、阿斯特里姆 (Astrium) 及畢格羅宇航 (Bigelow Aerospace) 等，也宣告民間太空探索的大航海時代來臨。近期，又以 SpaceX 成功發射福衛七號等衛星的 STP-2 任務最受矚目。
究竟探索太空的科技如何實現？本文將帶領讀者一窺新興公司如何航向浩瀚宇宙。
1958 年，第一顆人造衛星說穿了就只是一顆能發射電波的金屬籃球，但是短短 11 年後，人類竟然能登陸月球，其中的突飛猛進有如三級跳。活在當時的人們，一定會以為不久的將來太空旅行如家常便飯，甚至移民太空指日可待。登月前一年由庫柏力克 (Stanley Kubrick) 執導的經典科幻電影《2001太空漫遊》 (2001: A Space Odyssey)，片中預測在 2001 年，人們只需買張機票就可以到軌道上的巨大環狀太空站洽公和度假，而且月球上有大型基地，也有載人太空船遨遊太陽系……
但 2019 年的現在，上述的一切都沒有發生。
《2001太空漫遊》是一部在科幻領域有重大意義與貢獻的電影巨作。圖／IMDb
因為發射火箭非常昂貴，只有幾個大國才玩得起，對口袋不深的國家、組織或公司，太空是一個高不可攀的門檻，更別提移民太空站了。
發射火箭有多貴呢？美國太空總署 (NASA) 當年估計用太空梭給國際太空站後勤補給的平均價碼是每公斤約 22000 美元，而外界的估計卻是 3 倍之多，也就是說， 350 公克的瓶裝礦泉水上到太空站就要 20000 美元，這價錢都可以買輛車了。
發射火箭太貴了，把火箭回收再利用吧！
也因如此，當年 SpaceX 創辦人馬斯克 (Elon Musk) 誓言要大幅降低發射成本，其秘訣是：多次回收，重複使用火箭。他曾表示， SpaceX 目的就是要讓人類變成星際民族。
要解釋可回收火箭如何降低成本，就要稍微說明傳統火箭的運作方式。多數的傳統火箭都有 2 節，第一節最大，負責把第二節火箭和酬載，例如衛星或太空站的補給船推上大氣層邊緣，燃料用盡後與第二節脫離，變成廢物落回地表。此時第二節火箭點火，把酬載送到預設的軌道後再與其分離。
因第二節火箭體積小速度快，通常會成為太空垃圾一段時間後返回大氣層內燒毀。看到這裡，讀者一定發現一個大問題：只有小小的酬載留下來，其他絕大多數的火箭部件全是一次性，用完就丟。想像坐飛機旅遊，落地後飛機就當廢鐵賣掉，這樣的機票當然十分昂貴。
如果把火箭想像成飛一次就馬上報銷的飛機……天哪！那該有多燒錢！？圖／Pixabay
所以，回收火箭便是一個好的主意。以 SpaceX 的獵鷹 9 號火箭來說，發射總成本約 6120 萬美元，其第一節火箭佔總成本的 70％ 、燃料成本則只有 30 萬美元，不到總成本 0.5％ 。所以，即使回收後的火箭整理費用要 910 萬美元，每次發射分擔後的成本還是比用完就丟的火箭便宜太多。
不過，首創回收火箭的並不是 SpaceX ，太空梭基本上就是為此所做目的設計，其燃料箱兩側的助推火箭可回收，利用降落傘落在海中再以船隻拖回，但事後證明太空梭反而又貴又危險。
另外，以火箭本身的推力垂直降落也非 SpaceX 首創， 1990 年代時麥克唐納道格拉斯公司 (McDonnell Douglas) 的三角快船實驗火箭 (Delta Clipper Experimental, DC-X) 就為此測試過火箭的垂直起降，而 SpaceX 的競爭對手藍色起源更首度用火箭垂直降落後再回收使用。不過，讓 SpaceX 聲名大噪的是其火箭為真正上外太空、又成功地用於商業用途的首例。
STP-2 任務： 一場對 SpaceX 的資格考
SpaceX 於今 (2019) 年 6 月 25 日，搭載包括臺灣的福衛七號在內的 STP-2 發射任務，號稱是 SpaceX 史上最困難的任務。所謂的 STP 是指美國空軍的太空測試計畫 (Space Test Program) ，它可說是 SpaceX 的期中考，如果通過了， SpaceX 的回收技術就有資格執行美國國防相關任務。
任務艱難在於，除了要回收第一節的主火箭、兩側的助推火箭與整流罩外，還要酬載 24 顆來自不同客戶的衛星，且須部署在 3 個不同高度的軌道。
除了增加軍事部署的彈性，在商業上也有重要的意義。舉例來說，若有天要從臺北搭車前往高雄，有的車行因為專門為一人服務，因此所費不貲；有的車行報價較便宜，但要坐滿才開，所以必須慢慢等。而 SpaceX 就像一家新的車行，有獵鷹重型這樣的大車，還願意載到不同目的地，所以若是有要去臺南、高雄等地的旅客，也可輕易湊滿一輛車，隨時出發，車資也便宜得多。
下圖為本次發射任務的程序，火箭升空至 67 公里的高空後， 2 台助推火箭燃料燒盡後同步脫離主火箭並反轉逆向噴射，返回原發射場，在降落程序中運用柵格翼 (grid fin) 和火箭推力控制方向。助推火箭分離後的主火箭繼續推動到 128 公里的高空，因本次的酬載量大且有數個目的地，主火箭需攜帶更多燃料，與第二節火箭脫離後已經離發射場太遠，所以要降落在離發射場 1200 公里處等待的自動駕駛海上平台我當然還愛你號（Of Course I Still Love You）。
另外，火箭鼻端的 2 片整流罩也分離，先後靠本身的空氣阻力和降落傘慢慢落下，由另一艘船樹女士（Ms. Tree）張著大網接住。 SpaceX 目前並沒有回收第二節火箭的計畫，但未來新一代火箭大獵鷹火箭 (Big Falcon Rocket, BFR) ，如同子彈外型的第二節火箭是可回收的。
STP-2任務最後的結果是：
酬載的衛星都順利部署， 2 台助推火箭漂亮地降落在發射場旁，第一節主火箭在最後墜毀在我當然還愛你號旁，樹女士也順利地接住整流罩，美國空軍看來相當滿意。
讓科幻變成真實吧！我們的征途是星辰大海
重複使用火箭與降低成本固然很好，但與文章開頭的科幻情節有什麼關係呢？
因價格會決定技術的普及性，而普及的技術會擴大經濟規模，進而又刺激技術發展。可惜火箭技術似乎沒有進入此良性循環，電腦和太空科技幾乎同時始於二戰後，如今電腦已經進入每個人的口袋中，但上太空仍然是荊棘叢生的貴族遊戲，直到新興太空公司利用新技術改變原來死氣沉沉的太空科技，讓人們看見新希望。
或許不久的將來，上太空的門檻會低到一個程度，讓人們敢於嘗試新的商業模式。不論是觀光、通訊、開礦、移民或現在還想像不到的目標，都有機會從目前賠本生意變成發大財，那就是從科幻到真實的關鍵。
延伸閱讀
- Vidya Sagar Reddy, The SpaceX Effect, New Space, 2019.
- Elon Musk, Making Humans a Multi-Planetary Species, New Space, 2017.
- A Brief Recap of Reusable Rockets, https://reurl.cc/eea2W。
〈本文選自《科學月刊》 2019 年 9 月號〉在這個資訊不被期待的時空裡，卻仍不忘科學事實至上的自由價值。
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