在網路上看到伊隆馬斯克的Space-X即將在2023年12月7日以獵鷹重型火箭發射X-37B太空飛機的消息,給大家解釋一下這代表什麼意義。
首先我們要區分火箭與太空飛機是兩個獨立個體。火箭從宋代開始就有,黑火藥推進的沖天炮許多人小時候也玩過,點火後引線引燃推進火藥,咻的一聲把整根火箭推上高空,之後燒到爆炸藥就在空中炸開絢爛的火光。
1927年德國一批科學家與工程師成立「太空旅行學會」,並開始研究液態火箭推進器。1932年瓦爾那.馮.布勞恩,德國日後最有名的火箭科家進入德國陸軍兵器局,開始發展更強力火箭武器。1942年6月開發完成並開始測行各種測試,當年火箭測試成功,隨即大量生產,在1944年9月正式被命名為「V-2火箭」並進入現役,並在1944年9月8日被用來大舉空襲轟炸倫敦。
一枚V-2火箭被移動發射車發射後,他的液體燃料(75%乙醇與25%液氧)會由噴嘴輸入燃燒室燃燒,產生強大的推力,燃燒60秒後,火箭可達最高速度約5馬赫,五分鐘就可飛250-300公里,以慣性制導,被打擊的終端防無可防,聽到聲音時攻擊就已經來到。從1944年6月13日到1945年3月間,德軍發射3,000枚V-2火箭,對英國民心士氣造成很大打擊,與V-1飛彈一起造成英國3萬人喪生。
由於彈道飛彈可飛過地球大氣層中電離層的卡門線(Karman Line,離地100公里高),因此1944年6月20日德軍試射成功的V-2火箭被視為人類歷史上第一個飛行到太空中的人造物體,也算是人類突破到太空時代的起點,是值得人類慶賀的一天,只可惜是殺人武器性質,也導致迄今沒人慶祝這個事件。
二次大戰結束後,冷戰開始,美蘇英法中等五個聯合國安理會常任理事國都一個個製作出核武器與彈道飛彈,核彈頭是一個個的炸彈,可用飛機、大砲打出去,但最有效可及遠、又可保持精確打擊度的運載工具,就是彈道飛彈,也就是有導引的火箭。
從1960年代開始,蘇聯與美國進入激烈的太空競賽,比誰先發射人造衛星,比誰先把動物送上太空,比誰先把太空人送上太空,結果蘇聯大獲全勝,美國只有贏在用阿波羅計畫把太空人先送上月球。當時這些把人造衛星及太空船送上太空的載具,就是運載火箭,把運載火箭上面托舉的物體換成核彈頭,就是妥妥的一枚彈道飛彈。運載火箭頂端托著人造衛星或太空船,用強大的化學能轉化成動能,把運載物送入地球軌道,首先經過大氣層,之後超過離地100公里高就到了真空的宇宙空間,200公里高是地球同步軌道,500公里高是太陽同步軌道,再出去就是行星際旅行了。
冷戰就在美蘇激烈的太空競賽中過去了,蘇聯雖然在太空競賽中保持領先,但卻輸了地表上的統治。蘇聯統治一夕瓦解,俄羅斯接過蘇聯大部分的核武器與彈道飛彈,但對太空工程的巨大耗費卻消受不起,只維持最小程度的太空探索計畫如探月計畫。 (相關報導: 華爾街日報》一筆讓中美等國頭疼不已的驚人帳單:今年光利息就高達兩兆美元 | 更多文章 )
可是美國在登月任務後也輕忽了,因為蘇聯一直到解體前都無法把太空人送上月球,所以美國自認為贏了太空競賽,因此懈怠了。水星計畫與阿波羅計畫使用的各種太空飛船從此被棄置一旁。
太空梭載具
美國在整個1980年代將所有NASA預算全部投入在可以重複使用,可以重返地球多次之太空載具太空梭的建造上,可是因為價格高昂,僅建造出五架。建造的太空梭也在1986年與2003年發生升空失敗並在全球人眼前爆炸墜毀,導致大批太空人死亡之慘劇。因此在2011年太空梭機隊全數退役,美國竟然再也沒有太空載具可以讓太空人升空,後來只能依賴俄國聯盟號太空飛船,以及SPACE-X等民間企業的龍太空船為國際太空站運補貨物與人員。
伊隆馬斯克的太空探索技術公司(SpaceX)相信大家近年都在各種新聞上接觸過。這是一家民營的太空火箭飛船製造商與太空運輸公司,總部位在加州,2002年開始運作,目標是提供美國政府太空運輸的商業化選項,並長期計畫將殖民火星。該公司目前擁有「獵鷹系列運載火箭」與「龍系列太空飛船」,可搭配用來運載貨物到國際太空站或代客發射商業衛星。
其中擁有9台火箭引擎在一身(分三節)的「獵鷹-9型中型運載火箭」是主要執行太空發射的主力,現在這款火箭最省錢的特色是已經能夠做到完美的重返地球並安全降落地表,比起過去火箭無法回收,彈身大部分在重返大氣層的過程中摩擦燃燒損毀殆盡落入海洋之作法,是便宜太多了。伊隆馬斯克就依靠民間企業的靈活與節約,讓太空任務變成低價可親的運輸工作。
文首報導中的「獵鷹重型運載火箭(Falcon Heavy Rocket)」是由三支「獵鷹-9型中型運載火箭」綑綁而成,因此總計擁有27台梅林火箭引擎之強大推力,可以推動得了太空船級別的發射物。未來SPACEX將用該重型火箭發射火星殖民太空船,馬斯克的願景是在2035年前將發射數千枚火箭太空船運送一百萬地球人到火星建立自給自足的定居點。要是你,願意加入這一百萬人到火星嗎?
2019年起該公司開始建設「星鍊」低軌網路衛星系統,2020年5月成功載人太空飛行,將4人送往國際太空站,象徵人類商務太空宇航的開始。目前這家公司可以做到製造、發射、回收、再利用運載火箭,發射載人太空船、代客發射衛星進入軌道等,最重要的它是私營企業,對於成本管控做得比政府國家力量進行的太空宇航還要經濟實惠,這樣才能賺錢。
但是中國一樣有民營企業如「星河動力航天公司」已成功製造、發射「穀神星(CERES)運載火箭」,而且成功率百分之百。「北京星際榮耀空間科技有限公司」發射雙曲線一號運載火箭也績效良好。「藍箭航天公司」製作朱雀系列運載火箭、中國科學院力學研究所與中科宇航公司製作之「力箭一號運載火箭」也都可以將上噸的載荷打上太陽同步軌道。當然中國官方的中國航天局也可以用長征火箭、快舟系列、捷龍系列運載火箭代客發射衛星。
此外還有世界首家商業發射衛星的歐洲「亞利安空間Arianspace公司」的亞利安5號運載火箭、Vega運載火箭、Soyuz運載火箭,都是SpaceX有力的挑戰者。所以伊隆馬斯克要是以為自己天下無敵或已經壟斷市場,那他就錯了。 (相關報導: 華爾街日報》一筆讓中美等國頭疼不已的驚人帳單:今年光利息就高達兩兆美元 | 更多文章 )
另外也有英國企業家,維珍航空創辦人理查布蘭森創立「維珍銀河公司」,主要目的是想經營太空私人旅行,該公司興建自己的太空船,但配合其他公司的火箭推送到高空或宇宙空間,最新的太空船「團結號」首飛在2018年12月13日,並升到82.7公里的大氣層邊緣,之後滑翔下降至地面。未來該公司繼續努力提供世界富豪上太空的飛行體驗。
美國另有一家「藍色起源(Blue Origin)」公司,由Amazon創辦人貝索斯於2000年創辦,該公司正在研發次軌道飛船與軌道飛船,也能自己設計、研發、生產運載火箭,2015年該公司生產出BE-4軌道運載火箭,也生產無人飛行器,順利飛到超過100公里卡門線,速度達3馬赫。該公司目標是2024年進行登月計畫,以新開發中的BE-7氫氧發動機用在月球登陸器上。
美國洛克希德馬丁公司也設計一款「X-33 冒險之星(VentureStar)」可再用之發射型運輸工具(RLV),盼可以取代太空梭。這款飛行器最大特色是不外加推進火箭引擎,而是直接把推進引擎放在機身下方,以自身動力發射升空,並可以飛機姿態滑翔降落地表。可惜此款飛行器在測試時發生許多零件損壞之問題,最終被塵封不再運用。
空天飛行器(太空飛機)
各國有進行太空事業者,都有幻想要發展出可以靠自己機身與引擎就自由出入大氣層壁壘的空天飛行器,也就是說這個飛行器完全可用自己的引擎動力將機身推出大氣層,並可以再回大氣層內安全降落地面,可重複使用,自由來去,就像一般的飛機一樣,這就是空天飛機的概念,也有人稱其為太空飛機或太空戰機。
想像很美好,但現實壓力大,如果這種空天飛行器那麼容易做的話,蘇聯或美國恐怕早就發明出來了,不會到現在還在靠各種火箭推動圓桶狀飛船出入大氣層。
美國空天飛行器
但是有沒有人類飛行器已經很像空天戰機,倒不是沒有。美國冷戰時期發明的高空偵察機U2與SR-71黑鳥偵察機,飛行高度分別為7萬英尺(21.3公里)與8萬英尺(24.3公里)高度,而一般來說海拔100公里高就是卡門線,越過卡門線就是外太空。所以這兩架高空偵察機縱使已經在很高的高空,空氣稀薄,但還是不能算是能進入太空的空天戰機。
美國太空梭,比較更接近空天飛行器的概念,不過由於本身重量太大,無法靠自己的引擎飛越卡門線,還是必須使用綑綁火箭將自己推出外太空,因此也不算是真正的空天飛行器。
但美國曾經試驗過X-15試驗機,這是一款1959年試飛的火箭動力飛機,使用兩具XLR-11火箭發動機,最快速度可達6.7馬赫,而且是有人駕駛的航空器。在1960年代,這架飛機曾經13次飛到80公里高的大氣層邊緣,距離100公里高的卡門線已經很近,甚至許多航空學設定的太空起始高度比卡門線低得多,當時美國認定的80公里高度已經是太空,使得這些X-15飛行員也都獲頒太空人身份。另外有兩次X-15也確實飛到100公里高的卡門線,證明X-15火箭動力飛機可以說是世界第一架「有人亞軌道空天飛行器」。 (相關報導: 華爾街日報》一筆讓中美等國頭疼不已的驚人帳單:今年光利息就高達兩兆美元 | 更多文章 )
NASA之後不斷建造各種有人、無人飛行器,探索各種動力模式,以用在航空飛行器,2000年後的X-43A到X-43B、X-43C、X-43D等就是一種極音速飛行實驗機(Hypersonic),使用的不是火箭動力而是「超音速燃燒衝壓引擎」,而且後端還外接一台「飛馬座火箭」,所以其飛行方式是由B52轟炸機改裝的NB-52B裝載在機翼下,在高空中脫離後,先由飛馬座火箭加速,火箭燒完分離後,再點燃自身超音速燃燒衝壓引擎進行超音速飛行,2004年時達到最高9.8馬赫速度(每小時11,200公里或7,000英里),成為人類最快的進氣式飛機。不過需要引擎進氣,就代表無法真正在外太空飛行,太空中目前只有使用火箭配合氧化劑才能做到推進的效果。
美國波音公司也開發一款X-37無人太空飛機,又稱為「軌道試驗飛行器」(Orbital Test Vehicle),它像太空梭一樣需要以運載火箭搭載升空,或可以用大型運輸機搭載升到高空後釋放,再依靠自身動力進入近地軌道。至於回程時就像太空梭一樣可以依靠機首隔熱瓦抵禦重入大氣層的高溫,並有機翼可以飛翔降落到機場跑道。如果以現代的美國科技要發展太空戰機,其實是可以這種概念來製作的。
X-37後來衍生出A、B兩款,X-37A生產1架,X-37B生產2架,尚未大規模生產,還停留在試驗開發階段,但如果說美國近年還有在發射太空梭類之太空飛行器,其實就是這些無人操控的試驗性太空飛機了。
2023年12月7美國太空軍將雇用SPACEX的獵鷹九號火箭將X-37再度送入太空測試,而且將進入高軌道空間,中國對此戒心很重。
美國之所以在近二十年幾乎沒有太空建樹,一與NASA預算少得可憐有關,二與沒有開發出適合的太空載具有關。美國是不是在暗暗研發憋大招?我們不知道,也許在中國不斷挑釁不斷秀太空腳步刺激下,終有一天美國會端出令人瞠目結舌的新科技?就讓我們拭目以待了。(其他內容待續) (相關報導: 華爾街日報》一筆讓中美等國頭疼不已的驚人帳單:今年光利息就高達兩兆美元 | 更多文章 )
*作者為國際政治觀察者。本文若干內容節錄自作者即將出版之《中國航天事業與中國火箭軍》部分內容。