什麼是可回收火箭?為什麼太空船要飛回地球?有哪些優、缺點?

過去人類發射火箭時,常常只有一次使用機會。火箭把衛星、太空船或太空人送上天空後,許多大型零件就掉進海裡,或進入大氣層燒毀。換句話說,一枚造價昂貴的火箭,可能只工作幾分鐘就報廢。近年來,隨著航太科技進步,「可回收火箭」開始改變這種做法,希望讓火箭也能像飛機一樣,完成任務後回來,再次使用。

所謂可回收火箭,就是火箭發射後,讓其中一部分甚至大部分返回地球,經過檢查、維修後,再參加下一次任務。目前最常見的做法,是回收火箭的第一級。第一級是火箭起飛初期負責提供巨大推力的部分,通常裝有多具昂貴的引擎。當它完成工作並與上層火箭分離後,不一定要像以前一樣直接丟掉,而是可以調整方向、重新點燃引擎減速,最後降落在陸地或海上的平台。

因此,人們有時會在影片中看到一根高大的火箭從天空慢慢下降,最後直直站在地面上。這並不是整艘太空船倒著飛回來,而通常是完成任務的火箭第一級。火箭和太空船其實是不同的東西,火箭比較像負責把乘客和貨物送上天空的交通工具,而太空船則是在太空中真正執行任務的載具。有些太空船要載太空人回家,有些無人探測器則可能永遠不會返回地球。

發展可回收火箭最重要的原因,是希望降低太空發射成本。一枚大型火箭裡有引擎、燃料系統、電子設備和巨大的金屬結構,如果每飛一次就全部丟掉,就像搭飛機從台北飛到東京後,直接把整架飛機報廢一樣浪費。如果其中最昂貴的部分能重複使用,製造火箭的成本就能分攤到多次任務之中。

可回收火箭還可能增加太空發射的速度。重新製造一枚新火箭可能需要很長時間,但如果回收回來的火箭只要經過檢查、維修和補充燃料,就能再次出發,未來發射衛星、運送物資或進行太空任務就可能變得更加頻繁。從長遠來看,航太公司希望讓太空運輸逐漸從「每次都重新製造一套設備」,變成比較像飛機或貨運交通一樣,可以持續使用同一批運輸工具。

不過,可回收火箭並不是只有好處。要讓一枚高速飛行的巨大火箭安全回到地球,本身就是非常困難的工程。火箭必須留下部分燃料,才能在返回途中改變方向、減速和降落。這些燃料如果不拿來回收火箭,本來可以用來運送更多貨物,因此可回收任務有時必須犧牲部分載重量。

此外,回收系統本身也有重量。火箭可能需要增加控制翼、降落裝置、導航系統和其他設備,這些東西都會讓火箭變重。火箭返回後,也不能像汽車加滿油就立刻再次出發,因為它在飛行過程中經歷強烈震動、高溫和巨大壓力,工程人員必須仔細檢查引擎、油箱、結構和控制系統,確認沒有損壞。

因此,可回收火箭真正困難的地方,不只是「能不能把火箭帶回來」,而是「帶回來之後,能不能便宜又快速地再次使用」。如果每次回收後都必須花大量時間拆開檢查和重新整修,省下來的錢可能就沒有原本想像中那麼多。

說到可以重複使用的太空載具,許多人也會想到美國過去使用的太空梭。其實太空梭也是人類早期發展可重複使用太空運輸的重要嘗試,但它和今天常見的可回收火箭並不完全相同。

太空梭的核心是一架有翅膀的軌道器。它可以載著太空人進入太空,在軌道上執行任務,返回地球時穿過大氣層,最後像沒有引擎推進的滑翔機一樣降落在跑道上。太空梭發射時還需要大型外部燃料箱和兩枚固態火箭助推器,其中有些設備可以回收使用,但大型外部燃料箱不會回收。

現代可回收火箭的設計想法比較不一樣。以常見的方式來說,第一級火箭負責把上層火箭推到高空,完成工作後自己返回;上層火箭繼續把衛星或太空船送往目的地;如果是載人任務,另外再由載人太空船負責照顧太空人和返回地球。也就是把不同工作交給不同的設備,而不是讓同一架太空載具同時負責太多任務。

太空梭曾經證明大型太空載具確實可以重複使用,但它也讓工程師發現,「能夠重複使用」不一定代表「便宜又方便」。太空梭非常複雜,每次飛行後都必須進行大量檢查和維修,包括檢查保護它返回大氣層時不被高溫燒毀的隔熱設備,因此並沒有變成像一般客機那樣快速往返的交通工具。

現代可回收火箭因此選擇另一條道路:不一定把所有東西都帶回來,而是優先回收最昂貴、最值得再次使用的部分。對航太工程師來說,問題已經不只是「火箭能不能飛回地球」,而是「究竟哪些零件值得帶回來,才能真正降低成本」。現在更困難的挑戰,是讓飛得更高、速度更快的上段火箭也能安全回來。

從一次使用就丟掉的火箭,到可以自己降落的巨大推進器,人類正在重新設計前往太空的方法。如果未來火箭真的能像飛機一樣可靠地重複使用,太空旅行的價格和頻率都可能出現很大的改變。到那時,「發射火箭」也許不再是一件久久才能進行一次的大工程,而會逐漸成為更加日常的太空運輸方式。

看更多:「星艦」是什麼?有什麼不同或特點?由來、歷史為何?目的是什麼?認識SpaceX的新型太空火箭。

(完)


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範例問題:

  1. 為什麼火箭如果能重複使用,可能會降低太空任務成本?
  2. 可回收火箭和我們平常使用的衛星服務有什麼關係?
  3. 看到「最快將測試」這類新聞時,為什麼要分清楚計畫和結果?

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