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卷一太空航行導論 第七節 太空航行原理與一些初步概念

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    所謂的航行不外乎是從一個地點移動到另一個地點。以太空航行而言,就是軌道轉移的動作。從某個星球的軌道航行至另一個星球的軌道,或是從同一個星球的低軌道移動至較高的軌道,這種軌道轉移的航行路徑軌跡被稱之為「轉移軌道」。

    轉移軌道有無限多條,但消耗能量最低的只有一條,被稱為「霍曼轉移軌道」,乃是由霍曼首先計算出來。霍曼轉移軌道是相切于兩個出發點和目標軌道的橢圓軌道,并且是兩個星球在「合點」的時候才會出現。行星間的重要關系位置有兩種,其一稱為「沖點」,亦即兩個行星位于太陽的同側,乃距離最近的地方。其二是兩個行星分別位于太陽的反對側,是二行星間距離最遠的時候,這個位置關系稱為「合點」。

    基于星球運動與太空飛行原理,兩個行星間航行消耗能量最低的是在距離最遠的合點的時候,而非距離最近的沖點的時候,這是因為行星本身的運動速度與行星軌道上的恒星重力勢能的影響。沖點雖然距離近,但由于飛行時必須先抵銷行星的公轉速度,因此消耗能量是最高的一種。

    霍曼轉移軌道飛行需要在行星相對位置達到合點的時候,但行星間并非天天都在合點,比如地球和火星的合與沖每兩年兩個月一次,所以我們說朝向火星的發射窗口開放周期為兩年兩個月一次。

    霍曼轉移軌道雖然是最節省能量的軌道(需要達到的速度最低),但并不是飛行時間最短的軌道。如果擁有足夠強力的推進系統,則可以付出消耗更多的燃料為代價,走其它轉移軌道更快的抵達目標,換句話說就是直接飛向目標。這種能力憑化學火箭是辦不到的,必須要使用大推力與大功率的先進核分裂火箭(氣態核)或是核融合推進系統才行。

    一般而言,是否值得消耗燃料進行快速航行端視需求而定。比如說海運的貨物和空運的乘客顯然是基于不同的需求,付出不同的成本來選擇不同的運輸方式。再者,在這些轉移軌道中,會有幾條自由返回軌道。所謂自由返回軌道便是在飛行中途發生事故必須放棄飛行時,能夠返回出發點行星的軌道,這必須謹慎選擇軌道與出發速度才行。如失敗的阿波羅十三號便是走自由返回軌道才能在中途放棄任務后返回地球。除了這些軌道轉移動作的注意事項外,其它的航行原理就較為簡單了。

    太空船航行的運動原理乃是基于慣性定律。在一開始就提過,太空中沒有阻力(其實是有,不過低到可以忽略),因此任何火箭想要煞車則必須消耗攜帶的燃料逆向噴射來減低速度,而前文提及的火箭公式中的最終速度則是指引擎全開到燃料消耗完畢所能達到的速度。因此前面的標準太空船的最高速度指的全都是太空船進行單程任務,無法回航甚至無法減速的速度。如果想要煞車,則最高速度必須減半。

    簡單的來說,加速一個物體到某個速度與在將其速度減為零消耗的能量是相同的,只不過方向相反而已。換句話說這是一個矢量的概念。當然就火箭系統而言,由于燃料的消耗讓總質量降低,因而使加減速時消耗的能量并不相同,但實際上,以同樣的燃料想要減速停止,則速度仍然會降低成單程最高速度的一半。而這種程加減速的情形僅會出現在朝向一個目標港口航行的情況下,若是想要在出發后能減速停止并返回母港,則根據同樣的原理,速度將會掉成原先的單程最高速度的四分之一。而這個速度就是實際上的實用最高速度,同時也是實用巡航速度。

    當然如果能出發到另一個港口補充燃料,則可以用兩倍的燃料讓實用最高速度達到單程最高速度的二分之一。如果想自行攜帶全程燃料達到相同的速度,需要攜帶多少燃料?各位讀者不妨自己運用火箭公式計算一下。在此我們將不考慮這種情形,而以單程最高速度的四分之一當成實用最高與巡航速度。

    在太空中是無所謂省不省油的,你加到某個速度后關掉引擎,則太空船仍然會依慣性等速前進,因此其理論航程是無限的。但由于成員需要的消耗品如空氣食物水等需要補給,因此太空船仍有一巡航時間,不考慮加速時間的話,這個時間乘上實用巡航速度便是該太空船的實用行動半徑。簡單來說,這跟核子動力船只與有點類似。

    核子動力船艦的行動半徑并非受限于燃料,而是受限于食物等補給品與成員的心里問題。另外若能用光帆或磁帆作減速需求,則可以減少甚至不需要考慮減速會消耗的燃料,如此一來同樣燃料攜帶量的太空船便可以達到兩倍的巡航速度。但先決是要朝向太陽或是光源站航行,且使用的光帆重量不可超出原先減速用燃料的重量。

    基于相同的原理,太空船一般都會裝備多具引擎。太空船的最終速度和引擎的推力與數量毫無關系,只和燃料有關。即使是僅裝備一具低推力引擎,花費較長的時間去噴射燃料則仍然能達到相同的推進速度。以裝備兩具引擎的太空船而言,若其僅開啟一具引擎則推力與加速度將降為一半,但燃料消耗速度也降為一半,因此加速時間為兩具引擎的兩倍。相乘之后所達成的最終速度是相同的,因此乍看之下似乎沒有必要裝備多具引擎。

    但問題在于太空中毫無阻力,如果飛行途中發生引擎故障的事故導致喪失推力,則太空船將會持續永恒的飛行下去。想要拯救引擎故障的太空船是極端困難的,這與地球上的情形完全不同。在地球上若是航行器引擎故障,則航行器必定會因為空氣或水的力而停止。若是乘客沒有在迫降中傷亡,又不是迫降在惡劣地點如喜馬拉雅山脈中的話,則至多在數天之內便會獲得救援。但在太空中毫無阻力,喪失推力的太空船無法停止,又由于宇宙空間的巨大距離以及火箭系統的理論限制,因而會使拯救工作相當困難且耗費龐大。這是因為救難船必須以更高的速度,至少必須是兩倍以上,才能夠在第一艘太空船飛行時間兩倍之內追上去<!--中间广告位置-->拯救遇難船艦。太空船距離基地越遠,救援來到的時間就會越遲,若太空船已飛行一個月而引擎故障,則兩倍速度的救難船會在發出求救信號后一個月才能抵達。且救難船將消耗大于兩倍的燃料。若是救難船增加速度欲更快抵達,則所消耗的燃料便會增加的更快,導致必須付出大量的燃料成本。

    根據火箭公式,當太空船最終速度(單程)大于推進系統的噴氣速度的時候,則任何微小速度的增加便會大幅增加質量比。當然在使用先進推進系統如核融合推進系統之時,一般的民用太空船之飛行速度由于經濟上的考量,將不太可能超過其噴氣速度。但是軍艦則由于需要追求速度,便有可能發生此種情形。特別是追求高速的輕型軍艦有可能在引擎發生故障后無法救援回收。因此追求高速的輕型艦反而較可能裝備多具引擎,以避免因為引擎故障而完全失去動力的情況。

    附帶一題的是,多引擎太空船的噴射口必須是成對對稱于質心切線,一旦一具引擎故障或損壞,則必須同時關閉對稱的另一具引擎。否則推力力矩將會造成太空船的旋轉,欲使用姿態控制引擎修正此旋轉力矩將會消耗大量燃料,是十分劃不來的事。

    另外,太空航行的基地與目標不外乎以下幾個,環地球軌道,環月軌道,環火星軌道,兩個拉格朗日點l4與l5,小型星外圍某處,環木星軌道等。這是以太陽系中的重點為主。地球與月球不用說了,火星的地位也相當重要。月球基地或許會比火星較早建立,但人口成長較快,發展較快的將會是火星而非月球。因為火星具有大氣,有較好的農耕與生活條件,加上距離主要礦場與工廠的小行星帶較近,可以就近供應燃料,食物與水,因此其人口增加速度與移民速度將會較高。

    小行星帶除了是礦場地帶之外,應該也是主要的浮游工廠位置。這是因為太空中原料運輸成本(必須用太空船運輸)遠比能量運輸(可用光束傳輸,甚至可能就地開采,即使用運輸供給,氘與氦三等融合原料無論如何還是比金屬輕很多)來的高,再加上一般而言產品的重量會比原料礦石低,雖然空間可能比較大,但是太空運輸的問題在于質量而非空間,運輸重量較低的產品可以減低成本,因此工廠應該會朝向原料產地集中。

    而太空殖民地的原料則可能先在小行星的浮游工廠生產出半成品的各種模塊,再拖運至拉格朗日點組裝。至于貨柜船,郵輪,運輸艦,油輪甚至是戰艦則可能直接在小行星帶的浮游工廠建造,因為那里有所有需要的原料。浮游工廠可以在無重力高度真空的環境下,生產出地球上不可能生產的極優良的產品與材料。如果需要重力的話,則可由旋轉的離心力造出人工重力。

    例如一繞軸心旋轉的扁圓型工廠,在圓周部份具有最大重力,旋轉軸心部份則是零g,可依需要生產不同產品,甚至可將生產線串接起來,在不同的加工程序中可以運用最適當的重力要求環境。

    環木星軌道上則應該是主要的太空船燃料產地,應有軌道浮游工廠抽取提煉融合原料,再者由于燃料豐富,此地也該是主要的外太陽系與其它恒星系的長程探測船的基地,同時會有很多科學家聚集在此進行研究。

    l4與l5兩個拉格朗日點的太空殖民地與太空城市則應該是太空航行的集散與轉運中心,地位當如同今日的香港與新加坡,這兩個地點的先占權爭奪可能會引起相當的沖突。另外需要一提的是水星內側的環太陽軌道將會有大規模的太陽能發電系統以及用以作光壓推進的聚光站。能量將以微波的方式傳送給地球,月球與太空殖民地。這些能量供應站應當具有相當高的自動化程度,僅需要最少人力便可操作。這個地區的能量站提供大量廉價的能源,具有重要的戰略地位,但并非無可取代,至少受控核融合發電便可以取代之,雖然必須付出較高的價格。

    較重要的應該是往木星的航線,那應該是主要太空船燃料的供應地。不過即使這條航線中斷,地球仍然可以由大海中提煉融合燃料重氫,月球也有相當大的氦三存量,而火星的氘蘊藏量則是地球的五倍。換句話說,往木星航線中斷并非是致命性的,而僅只是稍微提高能源價格而已。真正具有無可取代的最重要戰略地位的應該是原料產地與加工地的小行星帶外圍某處,這里的存廢將會直接影響工業產品以及軍事產品的質與量。另外地球本身,以及火星在糧食產量達到一個程度后基于糧食的需求應該也是戰略要點。

    再者,還有一個特殊的地方,在距離太陽約800au的地方是太陽的重力焦點。自無限遠方的宇宙來的平行光束經由太陽的重力偏轉,將會聚焦在這個距離上。換句話說,在800au的虛擬天球表面上等于有一個與太陽直徑相同的超級口徑的天文望遠鏡。這種解像力足以使其能夠詳細觀察數十億到上百億光年外的銀河與宇宙邊緣的細部結構,因此這里將是天文學家的天堂,不過這跟一般人的關系并不大就是了。

    就一般而言,太陽系內的太空航行應該是這些點之間的聯系,在太空開發初期,大多數的運輸能量將被用于運載工作母機與能源,以能在太空建立初期生產能量,一旦生產能量建立,大規模行星間運輸能量將會成指數成長。發展到極盛時期,真正的運輸動脈應該是小行星帶的工業產品運輸通路,地球的糧食運輸通路與月球,火星或木星的能源運輸通路。就乘客運輸而言,會采取高速取向,在能夠接受的成本內盡量以最高的速度來運輸乘客,即使用快速運輸艦。而對于產品與原料的運輸,則應當是采取能源節省取向,以大規模,低能源消耗與長時間的型態來運輸,即重型貨柜船。而能源(特別是火箭燃料)則以介于兩者之間的速度來運輸。

    至于往其它恒星系的航行探索則并不在本文討論范圍內,將來若有可能的話再另行撰文討論之。

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