阿提米絲的願望Podcast
火箭阿伯吳宗信的火箭關鍵字：為何火箭要分節？入軌和探空火箭有何不同？世界最大火箭Starship有哪些創新？
刊出日期 2024.02.29
外太空對於我們人類來說始終是一個迷人的存在，我想各位在看太空人登陸月球這樣的情形一定都非常的著迷，因此我們人類努力的飛出我們熟悉的地球，想要擁有更廣的視野，看得更遠，了解更多宇宙的奧祕。其實距離我們地球最近的衛星就是月亮，可以說是人類離開地球探索宇宙的第一站，除了過去我們認識的這個太空強國美國、俄羅斯，包括後起之秀的中國、印度、日本，尤其印度跟日本過去一年發生的登陸月球，雖然是無人，但是也是非常重要的成就。
現在其實全世界已經有受支持的登月計畫已經接近130個，美國在1972年執行過最後一個阿波羅斯17號的計畫以後，超過了半世紀，在前年2022的年底，再次展開這個阿提米絲的登月計畫，預計要執行載人的繞月任務，就是所謂的二號計畫。現在也有也不只是各國想要返回月球，很多民營企業、私人公司也加入，像日本有一間汽車公司Nisson希望把他們的汽車開上月球，還開玩笑說要在上面飆車，不同民間企業加入這個太空飛行的研發和試驗，相信未來都有助於我們揭開宇宙相當多神祕的面紗。
今天這一集的節目中，我們要先帶各位來認識帶著人類衝向太空的交通工具，也就是入軌的火箭，並且也來回答聽友對於太空跟火箭的各種好奇的提問。
＃卡門線
提到太空，你可能覺得外太空距離我們非常的遙遠，其實不然，我們說的卡門線是定義外太空和地球的邊緣，其實大概用100公里來定義，但是這個其實不是斬釘截鐵的界線。這條線100公里一般叫卡門線，線內就是地面到100公里，一般是我們所謂的「大氣層」，所以穿越卡門線以後，也就是100公里以上，一般代表它進入「外太空」。
大小朋友可以想像一下，如果有一天，我們開車用高速公路100公里的速度向台北開，用卡門線垂直從地面向上前進，可能不到1.5公里就能到100公里的卡門線進入太空，這比從台北到苗栗的距離還要近，何況火箭的速度遠比開車還要快，所以坐飛機到卡門線其實可能幾分鐘的時間，相當快。
卡門線其實是有典故的，由國際航空聯盟提出來紀念物理學家西奧多·馮·卡門（Theodore von Kármán），以他的名字命名。馮·卡門在1963年出生，而我是1964年出生，在我出前一年還在媽媽肚子裡的時候，他有一個研究提出在超越海拔100公里之後，由於這大氣層非常稀薄，普通的飛行器沒有辦法產生像飛機一樣，靠機翼的翼面大面積產生升力，所以這時候如果要突破，太空船或者火箭要自己不只攜帶燃料，還要攜帶氧化劑。
各位如果念過國中的化學，你要產生燃燒，產生推力，除了燃料以外還要氧化劑，因為在100公里以上其實已經沒有空氣了，所以要自己攜帶氧化劑。然後依照這個大氣環境的不同，卡門線也有人講大概在85公里到100公里之間不等的地方，所以如果各位知道，前一陣子維珍銀河（Virgin Galactic），這是美國有一家用混合式火箭提供太空飛行的公司，像飛機一樣起飛，然後飛到大概80幾公里，然後在那邊停留一陣子再滑翔下來，這個一張票大概750萬台幣，所以他用80幾公里，也代表他到太空了。美國國家航空暨太空總署（NASA ）對於外太空的界線，也是認定大概80幾公里到100公里都算，目前沒有一個很精確清楚（clear-cut）的一個邊界，也沒有國際法做怎樣的規定，對於太空邊界的定義來講，其實有一定的彈性。
＃探空火箭與入軌火箭
接下來要帶大家認識帶著人類真正要進入進入太空的交通工具，也就是火箭（英文：Rocket，日文：Roketto）。其實火箭可大可小，目前台灣的學界已經可以製造所謂的探空火箭（Sounding Rocket），探空火箭通常尺寸會比較小，一般來講沒有做一些自動導航的技術，目的就是將有一些可能未來會用在太空的科學儀器送到大氣層的高處，比如送到100、200公里高，或者甚至300公里獲取高空的一些科學的資料，提供未來這個儀器的設計的改進。我們如果要將這個衛星送到地球的低軌道的火箭，稱他叫做入軌火箭（Orbit Insertion），這個技術的層次比探空火箭高的非常多，現在其實全世界只有9個國家具有這樣的能力。
具自動導控系統的入軌火箭
入軌火箭跟探空火箭有什麼不同呢？除了要攜帶更多的燃料，所以它的量體會更大，還有它一個非常複雜的導控系統，因為要把這個酬載或者一般來講是衛星送到比如地球400公里、500公里或600公里軌道不會掉下來，各位如果念過國中物理這個向心力，你算一下，大概在600公里維持它不會掉下來，它其實速度就是要每秒7.5公里，大概是台灣高鐵平常在開的速度的100倍（時速2萬7千公里），所以它的能量是非常非常大，你要攜帶很多的燃料跟氧化劑以外，還有要很精密的導控系統。
也就是說，假設我們從台灣的屏東發射，要進入到600公里、傾斜角32度，中間的這個飛行軌跡，這個路線，還有它的姿態全部是要設計好，它要自動的導控，如果中間有偏離軌跡或者失控，其實通常要你送一個指令（command）或者它自動偵測（detect out）這些異常然後自毀，被炸掉或者關掉油門。所以火箭上的電流電腦跟儀器就要隨時偵測，然後進行必要的叫TPC推力向量控制來矯正它的姿態跟軌跡，回到你原來設計的。就好像我們在開汽車的時候，如果你用GPS定位，還有現在非常風行的自動駕駛一樣，我想原理基本上是差不多的。
需要分節才能飛更高的火箭
然後還有各位可能看到這些探空火箭有時候可能兩節，甚至入軌火箭可能是三節、四節或者兩節，為什麼要分節呢？各位可以想像，真的有用產生能量就是燃料跟氧化劑，其他的都是結構重。你要高溫，還有引擎是高壓要燒那麼久，所以在燒完以後真正產生動力的是這些燃料跟氧化劑，你可以想像如果結構只有一節，你愈燒，這個呆重（結構重）就變成沒有用，愈來愈重，加速度就沒辦法提升。所以人類很聰明喔，這個火箭科學家他用分節，第一節燒完的時候就把它脫節丟掉，也就是結構重就變得比較輕，所以同樣的推力，各位念過國中的牛頓第二運動定律： F=MA （外力=質量X加速度），當M的質量變比較小以後，同樣的F推力，加速度就變比較快，就會飛得更高更遠，基本上為什麼要分節，目的就是在這裡。
液態、固態、混合式引擎各有優缺點
一般我們在講燃料，各位可能聽過他的燃料的特性，什麼固態火箭、液態火箭或者混合式火箭，這些怎麼分辨呢？
第二個就是液態火箭，也就是燃料跟氧化劑都是液態，就跟汽車一樣，可以用一個流量的控制閥去控制流量，能控制流量基本上就可以控制推力，甚至可以像汽車一樣，把油門關掉，閥門關掉其實就可以停止。這種也有可能可以再重新點燃，所以他其實 可以比較精準的進入軌道。就像我剛剛講的要到600公里是每秒7.5公里，你不能多也不能少，如果太多的話，軌道會衝高，太低的話，軌道可能就降下來，就沒辦法達到任務的軌道。
另外一種是混合式火箭，一般來講它的燃料是用固體的，可能是橡膠或塑膠，它比較沒有危險性，然後它的氧化劑是有含氧的，包括純氧、雙氧水或者笑氣，既然他有液體，理論上也是可以做流量控制，一樣可以開跟關，所以它具有液態引擎跟固態引擎各自的優缺點。最重要的是，這個混合式火箭非常非常的安全，它很難爆炸，所以這個是現在我們台灣的國家太空中心一開始對火箭掌握度比較高，是利用這樣的技術。（延伸閱讀：飛向宇宙──3D圖解首支國產混合式導控火箭）
＃星艦（Starship）
過去這幾年星艦為什麼會受到各位大小朋友的關注，即使爆炸了大家也是歡欣鼓舞？星艦其實是人類第一支專門為了人類往返火星而設計出來的 一個火箭，而且還是由民間公司SpaceX所打造，發射跟測試其實每次都有非常清晰的直播，有興趣的朋友到YouTube去搜尋一下，可以進一步瞭解火箭發射的一些流程。
因為他是目前全世界最大的一個火箭，它起飛的時候，第一節的推力各位猜一下大概有多少？大概是7,500噸。7,500噸如果用一台卡車20噸，可以把快400台的20頓卡車往上推，所以它的推力甚至比美國的阿波羅5號大概是快要2倍。除了最大以外，它用了非常非常多的創新的設計。
你如果注意，它在降落或者在飛的過程有些鏡頭可以看到，它側邊有4片這個網狀的板子（英文叫grip fin），這是什麼用途呢？ 因為它第一節設計是希望以後可以重複使用（recovery），所以要回收，這個板子中間有洞，而且可以旋轉。它在降落的時候，看它轉來轉去，這個其實就會產生相關的側向力，比如說你歪一邊的時候轉一下，讓側向力調整大小，可以讓它整個姿態又矯正。
還有呢，它在發射及降落的時候，各位看起來像是有兩個手臂夾的好像是筷子一樣，會拖住降落的第一節，這也是非常非常創新的一些想法。我想尤其從事這個太空研究或者產業或者科技的人要時常保有創意，要非常非常認真的學習，用學到的知識去分析或體驗驗證一些不一樣的想法。
台灣為何需要發展自製火箭
還有另外一個問題各位大小朋友常常會問的就是：世界有這麼先進的火箭，我們台灣為什麼還要發展自己的火箭？
從二次世界大戰以來，各國開始大力的發展火箭跟航空的科技其實已經超過80年了，因為每個國家主客觀環境不一樣，經濟條件不一樣，這個投資不一樣，所以差距有可能愈來愈大，但是如果不踏出這個腳步，這個落差只會愈來愈大。人造衛星要進入太空，現在台灣都是要搭載其他國家的火箭，過去我們到現在已經發射了10幾顆衛星了，其實都是搭載大部分都是美國的火箭，就像你搭公車或計程車一樣，如果這個班次不好掌握，你上去的時間，你要做實驗做驗證的時間就會受到拖延，要發展自己的太空產業，驗證的機會就相對的不足，取得在太空所謂的太空履歷（Flight Heritage），就像拿到證書一樣的時間就非常的慢。
所以我們當然希望台灣可以掌握自己的火箭技術。因為火箭阿伯過去出去創過業，我深深瞭解台灣產業的廣度跟深度，台灣是絕對有能力可以打造自己的入軌火箭系統。
關於外太空，少年報導者也收集了許多中小學生好奇的問題，現在就讓我一一來回答吧：
Q1：世界上真的有外星人嗎？
提問者：新北市蘆洲國小周品言
這個問題真的被問了差不多一百遍，當然有可能。因為如果各位可以到YouTube 打James Webb 就是美國NASA發射的詹姆斯韋伯太空望遠鏡（James Webb Telescope），你從那邊就可以看到宇宙的真的是無限大，我們人類對宇宙的瞭解真的還是非常非常的不足，類似我們這樣的太陽系在宇宙裡面不曉得有多少，所以火箭阿伯深深覺得，在宇宙裡面我們不是唯一的生物，只是生物的形態可能會超乎我們的想像，我想是（外星人）是絕對存在的。
Q2：火箭發射後推進氣分離，掉下來會掉到哪裡？要怎麼處理呢？
提問者：台北市胡適國小黃柏霖
通常如果火箭是兩節或三節對不對? 只有最後一節會進入軌道，把衛星送入比如600公里軌道 ，然後前面的第一節、第二節通常是設計讓它掉在海裡面，比較沒有人的地區，或者它的國家夠大，比如像蘇俄說不定可以掉在西伯利亞，類似這種比較大的，可以設定掉落在自己國家的土地。另外，因為掉下來的時候，大概你只能預測一定的範圍，沒有辦法很精準，所以在設計的時候掉下來的地點要有一定的餘隙（英文稱tolerance，有一定的誤差容許範圍），因為掉落地點不可能太精準。
Q3：火箭發射出去的速度這麼快，太空人會被震暈嗎？
提問者：新北市蘆洲國小周芳羽
所以他們要經過一定程度非常嚴格的訓練，類似戰鬥機的這種八個機、九個機的訓練，通常要訓練到不能震暈了，震暈就完蛋了！太空人一定要有非常強壯的體格，非常聰明的知識，所以上去之前，必須通過所有環境的驗證才能上去。
Q4：性別會影響當太空人的條件嗎？女生也可以當太空人嗎？
提問者：新北市三和國中鄭奕喬
基本上男跟女都沒有差異，其實從美國、日本還有蘇俄，都已經可以看到有女太空人上到太空去了。
Q5： 如果未來想當太空人，需要具備什麼條件？
提問者：新北市林口康喬國際學校呂東滜
我想太空人第一個是要強健的體魄，不能手機看太多，眼睛不能近視；第二個要懂基本的物理化學數學，還有工程，有一定基本的知識，當然還要可以耐得住重重考驗，要有耐心經過嚴格的訓練。我希望台灣有一天也可以啟動像這樣的太空人的計畫，我想這個對台灣年輕一輩，應該是有相當大的期待。
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