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2019-09-01太空時代2.0—當登上太空不再高不可攀
597 期
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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。
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。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。
SpaceX與回收火箭
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。
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。
發射福衛七號的STP-2任務
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。
圖一是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（gridn）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
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
1. Vidya Sagar Reddy, The SpaceX Effect, New Space, 2019.
2. Elon Musk, Making Humans a Multi-Planetary Species, New Space, 2017.
3. A Brief Recap of Reusable Rockets, https://reurl.cc/eea2W。