火箭技術升級 移民火星非空談 科大校長史維:月球可做跳板
2021年5月4日

20世紀初,如果你跟大家說,人類能像小鳥般翱翔萬里,大概會換來一句:「痴心妄想」。來到21世紀,搭飛機早已成為平民活動,人類野心更進一步跳出大氣層,甚至想移民火星。熟悉航天工程的科大校長史維提醒,如果想逃出地球,最大阻礙未必是技術限制,反而是人體適應。

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史維自2010年加入科大,2018年成為校長,問及現在會否想念當年研究工作,他笑說自己好少回想過去,更加重視及享受當下。(黃勁璋攝)

撰文:鄭雲風 本刊記者

得知記者前來談太空,史維顯得興高采烈。數十年來,他一直醉心於飛行,研究範圍包括計算流體力學、燃燒和推進、流體結構互動等等。據職員透露,校長收到邀約電郵後,數分鐘便答應受訪。他笑瞇瞇地說:「這是有趣的題目。」

八十年代,史維於美國密歇根大學取得航天工程學碩士及博士學位,曾擔任美國空軍研究實驗室、波音航天科學合作中心的首席研究員。2002年他帶領團體成立未來太空運輸研究院,獲美國太空總署(NASA)資助1500萬美元。

未來太空運輸看似抽象,原來目標「一字咁淺」—減低火箭升空成本。為了擺脫地心吸力,傳統火箭往往配備額外助推器,增加升空動力,缺點是太笨重、很難重用。NASA曾經估計,利用太空穿梭機為國際太空站補給,每公斤運費平均高達2.2萬美元。

引擎半空變身

史維說,當年研究正想將火箭與飛機引擎技術二合為一:起飛初期,太空船以吸氣式飛機引擎推進,當到達一定高度,四周氧氣不足,才轉為純火箭式引擎,藉此減輕機體負重,直接飛上太空。

這項技術的正式名稱為單節進軌道(Single-stage-to-orbit)。「想法不太具革命性,但實質應用、控制非常困難。」雖則當時研究以失敗告終,然而時至今日仍有公司嘗試開發這款神奇的引擎。

今年1月,維珍軌道(Virgin Orbit)公司實現了他的部分心願。該公司將一枝21米長火箭,綁在波音747改造飛機機翼上;升至高空後,兩者分離,火箭自行點燃引擎攀升,最後成功將NASA微型衞星放上太空。

若以史維的話解釋,等於是媽媽(飛機)帶同兒子(火箭)出發,中途母子分開,兒子獨自繼續旅程,「從成本來說,這個更加容易處理」。外界預料,這項技術一旦普及,將減低衞星發射成本。

另一項熱門技術是回收火箭。「現在回收的主要是第一節火箭。資料來源:SpaceX當飛行至一半高度,它會脫離主體,並且留下部分燃料,控制回到地面〔見圖〕。」史維預計,回收火箭至少減低一半發射成本,「的確非常出色,亦很實用」。

衞星最賺錢

隨着火箭技術突飛猛進,太空與人類的距離彷彿拉近不少。「從商業角度而言,最賺錢當然是衞星。」史維表示,現在手機通訊費用愈來愈低,有賴於發射衞星成本下降。近年美國航太公司SpaceX更計劃發射上萬顆衞星上太空,以便實施「星鏈計劃」(Starlink),希望為全球帶來高速網絡服務。

減少上太空成本,也有利開展更多科學實驗。微重力下,癌細胞會自然死亡?如何影響人類基因?各式各樣的太空實驗,打破人類對物質、生命的固有想法。他指出,如果要去除環境因素,只看物質本身特性,太空是很好的實驗地方,有助推動更多科學研究,例如材料科學、生物學等。

德國不來梅(Bremen)便有一座著名高塔Drop Tower,專門研究微重力下的物品形態。但史維補充,在地球建立的微重區域,維持時間只有幾秒。

太空商機眾多,對大眾來說,最有興趣莫過於探索另一個星球。去年底,SpaceX行政總裁Elon Musk表示,極有信心於2026年載人上火星,更誇口說「如果夠幸運,也許四年就可以」。當然,登陸只是第一步,他的最終目標是移民火星。

史維如何看待這個計劃?「我想是可行的,但要花點時間。」他認為,移民火星將花費大量人力物力,但技術上並非做不到,最大問題出自人類本身。

首先是心理壓力。由於公轉軌道、速度不同,地球與火星距離時遠時近,長至約4億公里,短至約5600萬公里。每隔2年半左右,才出現一次最佳發射時段(上一次在2020年),但飛行仍長達7個月。

疫情下港人被困圍城,至少假日可以出外「抖啖氣」。試想像下,如果要長時間停留密閉空間,與黑漆漆的太空作伴,幾乎沒有娛樂,你接受到嗎?史維坦言,太空飛行「想像很浪漫,實際上幾苦悶」,需要無比的好奇心、熱情才可克服。

若要縮短飛行時間,史維認為可在月球建立發射基地,作為地球與火星之間的「跳板」。主要優勢有兩個:首先,月球重力只有地球的六分一,加上沒有大氣層,火箭推力事半功倍,有助減低發射成本。

其次,若在月亮發射核動力火箭,所帶來的風險比地球低。這項技術早於上世紀提出,相比傳統火箭推力更強,能夠縮短飛行時間,後來因為三哩島、切爾諾貝爾等核事故而中止。「核動力火箭速度快很多,問題在於社會可否接受失敗風險,並非做不做到。萬一在地球爆炸,沒有人能承擔責任。」

然而,就算成功到達火星,由於兩個星球的氣壓、溫度、重力等客觀環境差天共地,往後身體能否適應,才是真正挑戰。史維猜想,屆時人類體型將會改變,包括肌肉、骨骼結構、高度等,「過了兩、三代人之後,這些人的樣貌慢慢跟地球不一樣了。」

事實上,Elon Musk也承認,若想將火星改造成地球一樣的星球,需要花很長的時間,更提醒首批移民火星的人,很大機會不能回到地球,客死異「星」。

——節錄自《信報財經月刊》5月號