「太空科技簡史」與「台灣太空科技往哪走?」

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小時候你我或多或少都會羨慕鳥兒會飛,而飛行這個夢想,萊特兄弟(Wilbur and Orville Wright)幫我們打開了一扇窗,最後有了飛機達成了飛行的願望,當然飛機離獨自展翅高飛仍然有一段距離,或許有一天我們可以像鋼鐵人一樣可以穿上飛行機甲進行飛行。我們眼光不只放在天空,更是放到更遠的星空中,而這個夢想已經不是夢想,在1969年阿姆斯壯是第一個到達月球的太空人。同時目前的太空目標也有了火星計畫,人類正在一步一步認識這個宇宙,接下來為大家介紹太空科技發展的過程。

【太空科技簡史】

太空科技最早可以追溯到二次世界大戰,德國的V2飛彈可以飛到更高的地方進行攻擊。德國戰敗之後,德國的火箭技術人才被美國、蘇聯瓜分。到冷戰時期美國和蘇聯為了保障國家安全,1955年-1972年開始太空競賽(英語:Space Race、俄語:Космическая гонка),此競賽在爭奪太空制空權,企圖領先對方,是一場以飛彈為主的核軍備太空競賽。

因為太空競賽,人類向月球、金星、火星發射無人駕駛太空探測器,以及向近地軌道和月球發射載人太空船,人類更了解地球以外的情況。同時太空競賽的展開需要大量的人才,使得教育、科研發展領域的更蓬勃的發展,而教育方面更是針對數學與物理的內容,修改教科書內容。太空競賽促進了國際太空站(ISS)的建立,並讓地球通訊和氣象衛星高度發展,以及促進了衍生技術的發展。

● 太空科技的影響

太空科技移轉到民間或促進科技發展,如:半導體、太陽能、程式語言廣為被民間利用。

1. 半導體

半導體(英語:Semiconductor)是指一種導電性可受控制,範圍可從絕緣體至導體之間的材料。

半導體最早的開發是源自太空的衛星及太空船需要,因為太空的設備要盡可能的越小、越輕越好,因此早期半數以上的半導體公司的產品都是賣給NASA,換句話說太空科技(NASA)直接影響半導體的成長。最後就有現在的IC積體電路等等相關科技。

2. 太陽能

太陽能(Solar energy),是指來自太陽輻射出的光和熱被不斷發展的一系列技術所利用的一種能量,如,太陽熱能集熱器,太陽能光電發電,太陽熱能發電。

太陽能最早的開發是源自太空的衛星及太空船需要,因為太空中沒有能源來源,只能利用太陽光,所以開發出太陽能發電的設備-太陽能板,見圖1。

圖1:國際太空站(ISS) 可以看到巨大的太陽能板

而現在太陽能發電還有更進一步的構想-太空太陽能(Space-based solar power, SBSP),見圖2。自1970年代早期已在構想中的一種太陽能發電系統,在衛星軌道上的太陽能收集器,將從太陽光收集所得的能量以微波或雷射傳送到地球,在地球表面接收後轉化為電能。其優勢是在太陽與太陽能收集器之間無大氣層阻礙,因此效率較高,並且不受晝夜周期的影響,是一種可再生能源。如果要做出這樣的機器的造價非常貴,目前沒有經濟效益。

圖2:微波式發電衛星

3. 程式語言

UNIX是一種電腦作業系統,具有多工、多用戶的特徵。

1969年在美國AT&T公司的貝爾實驗室開發類UNIX,也就是研究太空科技的重要工具之一,並放在衛星上面使用。因UNIX的刺激,而後各式各樣的程式語言就不斷產生,如:Linux、BSD,並用在民間的電腦上。

● 重要太空記事

觀察圖3、表1,了解太空發展順序及重要記事。

圖3:太空發展順序。

表1:紅底為蘇聯重要記事、藍底為美國重要記事、白底為兩者、紫底為太空競賽的起迄時間。

● 值得一提的事

台灣的中科院參與製作一個神奇的東西-阿爾法磁譜儀(AMS),1994年放到國際太空站(ISS)上。這個儀器主要是為了測量反物質(antimatter)存在,整個科學計畫的負責人是丁肇中博士。現年81歲的他,於1936年1月27日生,並於1976年榮獲諾貝爾物理學獎的殊榮。

● 如果對各行星探測時間表有興趣的人可以參考以下連結,

太陽系探測器列表 (https://zh.wikipedia.org/wiki/太陽系探測器列表)

太陽系探索年表 (https://zh.wikipedia.org/wiki/太陽系探索年表)

● 太空競賽在NASA內值得一提的事

在2017年上映的《關鍵少數》(Hidden Figures)描述三位非裔女性數學家:凱薩琳強森(Katherine G. Johnson)、桃樂絲范恩(Dorothy Vaughan)、瑪麗傑克森(Mary Jackson),在1960年代的太空競賽時期在美國太空總署(NASA)貢獻自己的數學能力,克服了性別(女)、種族(有色人種)的障礙,讓火箭不再爆炸順利升空、衛星繞行、太空人可以飛出地球。在NASA內部得到部份人的尊重,要注意的是他們是用基本數學(僅有微積分及解析幾何)就讓太空人安全出入地球。

太空科技的歷史經常不斷驗證某一句話,數學公式合理,就必然會存在宇宙之中,而這正是大多數西方科學家的科學基礎信念。看看史實,在太空中為了計算行星軌道,但是怎麼算都會出現誤差,於是假設還有一個行星在影響(也就是當時還不存在的行星),利用數學將軌道合理化,並進行預測何時出現,最後果真出現夜空。如:天文學家利用天王星(Uranus)軌道的攝動,推測出海王星(Neptune)的存在與可能的位置(攝動Perturbation是天文學上的一個術語,用來描述一個大質量天體受到一個以上質量體的引力影響而可察覺的複雜運動)。海王星在1846年9月23日被發現,是利用數學預測而非有計畫的觀測發現的行星。以及十九世紀末天文學家根據對海王星的觀察,推測還有行星攝動天王星軌道,最終在1930年克萊德·湯博觀測到冥王星(Pluto)。

● 太空科技商業化

早期的電腦,是如同一個房間那麼大,如:早期IBM的電腦,到現在隨處可見的筆電,甚至手機的功能都已經接近電腦。所以電腦的體積會由大到小。而衛星就像是在外太空一台大電腦,最後總會變小,而現在已經有小到在50公斤以內、長寬高都在10公分以內的小衛星,甚至還有更小的。

太空中滿天都是小衛星的計畫Cubesat是可以執行的。微小衛星群有許多好處,如:造價、原料相對便宜;壞掉之後只需要補充相對應的數量、或是每年更換一些,不像是原本的大衛星故障一部份就整個報廢。而小衛星群的應用可具多面向性,不管是氣象、遙測、監視、通訊、等等,最後如果能像電影-氣象戰中的布下天羅地網,那麼地球在各地方都能掌握有即時資訊與處理。所以將會是一個新型的商業,不管是製作衛星、或是利用衛星群的新興商業上。

● 太空科技發展結論

太空科技自1955的太空競賽到現在2017只有短短的60多年,就已經可以到達月球,甚至計畫去火星,可以預期的是我們在一百年內應該可以居住到火星上。然而太空科技最大的重點都是數學。不管是火箭的發射會用到解析幾何,衛星的繞行是橢圓軌道,太空船的出去與回來都還用到尤拉公式,所以我們如果要在太空科技有更大的突破時,理所當然的是會應用更多的數學。

太空科技的目標必然有星際旅行,但星球之間的距離實在太遙遠,不得已目前只能先以火星為目標,如果要到達更遠的星球、或是探索星空,需要克服冬眠技術、或是提升太空船速度、或是能利用蟲洞來縮短距離,才有可能到達更遠的星球、或是探索星空、同時也需要模擬重力技術來保持太空人的健康,目前太空船、太空站有重力只能在電影中出現,太空中模擬重力仍是科幻,讓我們期待實現的那一天。

我們常說科技始終來自人性,但更正確來說是科技大半始於軍事用途,之後才逐步開放到民間,再不斷以此為基礎創造輝煌,以及商業化。

【台灣太空科技的下一步往哪走:滿天星與自主火箭發射系統】

看看別人想想自己,台灣太空科技的下一步往哪走,我們要先知道太空科技,除了應用的軟體部分及衛星的結構部分外,還有火箭部分。

衛星結構看起來我們有一定能力製作,但是仍有一大段路要加強。或者說是我們走偏了,我們想要在短期內跟上先進國家的腳步做出齊鼓相當的硬體顯然是有難度的,而且一直跟著別人的腳步後面走也未必會超前對方的科技。但是我們可以用「小衛星大數據」的方法,以量取勝,別人可以用一個高級衛星,我們也可以用數量來達到同等效果,最起碼可以滿足台灣目前的基本需求。

台灣目前太空幾乎沒有可以利用的衛星,如果有了滿天的小衛星時(簡稱「滿天星」),我們可以有許多的衛星利用,如覆蓋全球的衛星通訊,再也不用走電纜,海上的衛星通訊也可以使用的更頻繁,而不用擔心費用太過昂貴(以前跨國的電話因海底電纜的不足,依靠衛星電話來通訊導致費用昂貴,而目前海底電纜密度提高,跨國電話價格也隨之下降,但如果衛星的數量夠多,可以取代海底電纜,甚至連海上航行的人更是受惠)。在天氣的監測時,可以擁有更多的數據做為研究。當數據庫越來越多,滿天星的覆蓋率越來越大,就有機會銷售給其他國家,替國家帶來收益,見圖4。

圖4:滿天星示意圖

我們應該走向自主的火箭發射系統,不要再依靠其他國家來發射衛星,這樣會被賺走發射費用,如果我們有自主的火箭發射系統也可以幫別人發射衛星,來獲得一定的國家收入。最重要的是火箭發射系統的逐步完善,意味著我們投射能力更好(高度、地面距離、精準),也就代表可操作的事情就更廣泛,要知道洲際飛彈就是靠火箭帶到太空中,再進行攻擊指定目標。如果我們有一定的軍事力量,才足以自保,並且被承認是一個獨立主權的國家。

目前台灣已經有人自行做火箭的研發系統,已能攜帶100到200公斤的衛星到高度500到650km的LEO軌道,若能與滿天星的小衛星群搭配,一次火箭發射可以攜帶大量的小衛星上太空,將能大大替台灣帶來商機與增加國家安全係數。而最重要的是,台灣的作法不該再目光短淺的浪費錢作一些錯誤的事,如自行研發過時衛星,我們應該用數量多的微小衛星來降低大衛星的研發浪費。

結論:

台灣太空科技的下一步,就是應該將重心放在「小衛星大數據」的「滿天星」計畫上,以及與自主性火箭發射系統的合作,才能使台灣有太空自主能力,並具有自保的能力。而「滿天星」計畫,作者在10年前就已經提過,然而當時政府並沒有採納,如今許多國家都已經執行,而台灣還在自行開發一個不知能否使用的福衛五號,令人扼腕。與其跟著別人腳步走,為什麼不選一條更適合自己的路。

參考文章:

2006-08-11,領先潮流 台灣構思滿天星計畫 (http://www.epochtimes.com/b5/6/8/11/n1417768.htm)