本期文章

奔向月球那一天

   

類將再度造訪月球,這次還打算多待一陣子。





獵戶座計畫簡介





NASA與洛克希德馬丁公司合作開發了一套太空運輸系統,計畫在2020年載運人類往返月球。獵戶座太空船包含加壓艙、維生系統及推進引擎,是星座計畫的關鍵部份,也包含升空推進器及支援艙。

儘管星座與獵戶座計畫在某些方面類似於1960年代的阿波羅登月計畫,但它還可執行月球探測以外的載人及無人任務,包括維修太空站等,甚至可前往火星。

星座系統更大的功能變化來自更大更通用的設計,以及採用最先進的科技。





漆黑的夜空中,明晃晃的月亮陡然出現在廣闊彎曲的地平線上方。自從獵戶座(Orion)載人探索飛行器到達距離地球300公里的軌道後,四名太空人已經目睹好幾次如此壯觀的月出景象。但在時機恰到好處的火箭推進下,駕駛員準備朝遠方目標加速前進。耳機中傳來「奔月噴射點火倒數10秒5、4、3、2、1,時間到點火」火箭尾端噴嘴噴出白熱的火焰,整艘太空船(其實是一串具有各種功能的太空艙)一陣震動,乘員啟程前往距離地球最近的天體——這個半世紀來人類未再踏足的神秘之地。屆時已是2020年,美國再度來到月球,不過這次目標不只是造訪,而是要為新一代太空探索者建立前哨基地。



獵戶座太空船是「星座計畫」(Constellation)的一大關鍵,是美國航太總署(NASA)耗資數十億美元、極具雄心的計畫,目標是建立太空運輸系統,不僅要讓人類往來月球,還要為國際太空站(ISS)運補,最後將人送上火星。2006年中這項計畫成立之後,NASA與獵戶座太空船主要承包商洛克希德馬丁公司的工程師和研究人員,一直致力於開發火箭發射器、乘員與服務艙、上層火箭和降落系統,一旦目前的運載工具太空梭於2010年除役之後,這些器具便能讓美國繼續進行穩健而成本低廉的載人太空飛行。



為盡量降低開發風險和成本,NASA規劃人員在星座計畫中採用許多實地驗證過的技術原理,也有許多知識借鏡於阿波羅計畫,因為那是於1960年代末與1970年代初將人類安全送上月球的重大工程。在此同時,NASA工程師也運用更新的技術,重新設計許多系統及組件。



獵戶座太空船初期的一般功能有很多與阿波羅太空船相同,乘員艙的形狀也類似,但其實相同的部份只有外表。舉例來說,獵戶座可容納的乘員人數比阿波羅多,總容積約為20立方公尺的加壓艙可供四人乘坐執行月球任務(2015年開始將可供六人乘坐造訪太空站),阿波羅太空船則僅能乘坐三名太空人和設備,總容積也只有小小的10立方公尺。



最新的結構設計、電子裝置以及電腦與通訊科技,可協助計畫的設計人員增加新型太空船的運作變化,超越阿波羅太空船。舉例來說,獵戶座太空船就能與其他太空船自動對接,還能在無人狀態下繞行月球軌道六個月。此外,工程師也不斷提高太空船的安全性。例如在發射過程中遭遇緊急狀況時,強力逃生火箭可帶領乘員迅速脫險,這是當年太空梭太空人沒能來得及享有的。為了讓讀者進一步了解這項計畫的內容,我們先回到地面,從獵戶座乘員離開地球之前開始談起。我們將逐步介紹這項月球任務的原型,以及每個階段所要達成的技術。

一飛沖天





矗立在弗羅里達州甘迺迪太空中心的鹽沼中,高110公尺、分兩階段發射的運載火箭戰神五號(Ares V)正蓄勢待發。這具無人火箭擁有五具火力強大的火箭引擎,高度和身圍與因阿波羅太空船而聞名的農神五號(Saturn V)巨型火箭不相上下。戰神五號的中央推進器燃料槽由太空梭的外部燃料槽改變而來,供應液態氫氧推進劑給火箭的RS-68引擎。這款引擎是改良自三角洲四號軍用與商用運載火箭目前使用的引擎。此外,還有兩具以太空梭系統改裝的「環束式」固態燃料火箭推進器,位於戰神五號的中央汽缸兩側。它們為運載火箭提供所需的額外推力,便於推升狀似昆蟲的登月小艇和「離地節」(Earth departure stage),這具推進火箭擁有J-2X液態氫氧燃料引擎(源自NASA阿波羅時代農神五號J-2引擎,由普惠公司製造),可推動獵戶座脫離地球重力,飛到月球。



突然間,戰神五號的尾巴出現一道閃光,推進器、發射架和發射台迅速包覆在一團團煙霧當中。暫停片刻後,一聲轟然巨響迴盪在太空中心,將鳥兒驚得四散紛飛。巨大的火箭在不斷拉長的灰白色噴氣柱頂端,起初上升得很慢,接著速度逐步加快,火箭的熊熊烈焰在天空拖曳出一條煙霧尾巴,然後逐漸隱沒在天際。幾分鐘後,在地球附近的寂靜太空中,戰神五號拋下環束式推進器,推進器落入海中後將被回收。接著它脫去覆蓋火箭前端的貨物保護鞘,露出裡面的登月小艇。這艘太空船在高度約300公里處環繞地球,等待遠征月球的下一步:與獵戶座會合。



同一天,四位將前往月球的太空人在甘迺迪太空中心另一座發射台上空98公尺處,稍後即將升空。他們乘坐的圓錐形獵戶座乘員艙下方是圓柱形的服務艙,其中包含太空船的軌道推進引擎以及許多維生系統。保護翼片將這些東西包裹在內,隔絕強大的空氣動力以及升空時可能遭遇的嚴苛考驗。乘員艙和服務艙位於NASA的兩節式戰神一號乘員運載火箭頂端。這具某些人稱為「桿子」的火箭,身形比其前身還纖細,它裡面包含了另一具改裝過的太空梭推進器(由亞利安科技系統公司製造),推進器上方再套上以一具J-2X引擎推動的第二節火箭。太空船連接器的功能,是在獵戶座太空船和戰神一號之間提供結構和電力介面。



高聳的火箭頂端是逃生塔,當發生故障時可載運乘員快速脫險。從1986年挑戰者號事故可知,如果太空船在發射和升空初期發生嚴重的技術問題,太空梭乘員生存的機會相當低。相反地,獵戶座的發射中止系統(LAS)可以在數秒鐘之內,提供相當於自身加上分離的乘員艙總質量15倍的推力。逃生塔可在火箭還在發射台上或升空時,快速將太空人帶離危險。假如在地面發生嚴重差錯,分離後的系統可以飛到1200公尺高以便打開降落傘,另外還會沿飛行(水平)方向拉開約1000公尺的距離,遠離發射台。任務規劃人員預估,LAS搭配獵戶座的先進導引及控制系統,將可使乘員安全返航的機率提高到99.9%。



但隨著升空的時刻接近,心情也越來越雀躍,關於逃生問題的憂慮很快就被拋在腦後了。倒數接近0時,指揮官和駕駛員專注看著獵戶座「玻璃駕駛艙」中平面顯示器上的飛行儀表,這套儀表脫胎自剛問世的波音787夢幻客機(Dreamliner)等先進客機使用的安全備援式航空電子系統。駕駛艙具備電腦化的全電子式「線傳飛行」控制裝置、節能電氣設備與幾個機械式開關,這恐怕是阿波羅時代的太空人完全難以理解的。



一陣顫動擴散到整個結構,接著是巨大的轟隆聲。「桿子」開始朝天空前進。它的速度不斷提高,上升得相當快,將太空人壓進座椅。飛行將近兩分半鐘後,固態火箭推進器以六馬赫的速度推動戰神一號升空。在6萬1000公尺高度,第一節火箭脫離,然後藉由降落傘落回地面,以便回收後重複使用。在此同時,J-2X的第二節火箭引擎點火,推送獵戶座乘員艙、服務艙和LAS穿過最後一段大氣層。一旦太空船飛出大氣層,火箭的任務就結束了,空氣動力護罩會分解脫離,以減輕重量、提高上升效能。此時太空船的速度已經夠快,足以降低緊急中止的危險,因此LAS與保護翼片也會分離落下。乘員艙與服務艙到達100公里左右高度的時候,第二節引擎熄火。

在繞地軌道上會合





接著服務艙引擎點火,完成將獵戶座送上軌道的任務,並開始執行與離地節及登月小艇接合的動作。獵戶座的主引擎取材於經過航行測試的太空梭軌道控制引擎,並加以改良提高推力及效率。服務艙包含發電及儲存系統、可將餘熱散入太空的散熱器、所有必須用到的液體,以及一個科學儀器隔艙。為了盡量擴大乘員艙空間,服務艙也裝載了一些航空電子系統,以及一部份環境控制及維生子系統。它的結構是鋁強化輕型聚合物複合材料蜂巢,製造方法簡單,應該有助於降低這個消耗性部件的成本。

獵戶座和阿波羅兩具太空船比較值得注意的一項差別,是獵戶座的服務艙添加了傘形太陽能板,需要時可在軌道上展開。由於阿波羅太空船是針對為時數天的月球任務而設計,因此攜帶的氫燃料電池所產生的電力,僅足以使用相當短的時間。相反地,獵戶座所產生的電力則至少要能使用六個月。


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