近在咫尺卻又形同夢想的太空旅行 | 竹中科研實驗室
淺談維珍航空太空飛行原理及次軌道、太空的定義
- 倘佯在太空中的衛星
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- 維珍航空
- 太空旅行
- 次軌道
- 太空
- 撰文者：李書漢
- 涉及領域
- 物理
- 化學
前言
小時候我們仰望星空，想著比這地球更廣大、浩瀚無垠的宇宙，是否有一天真能輕鬆自在地享受飛行，像星際大戰中韓索羅駕駛著千年鷹號一樣探索未知的領域，這些夢想在近幾年越來越有可能實現！
Tesla執行長馬斯克(Elon Musk)以及亞瑪遜公司創始人貝佐斯(Jeff Bezos)的太空大戰正打得火熱，卻被維珍集團創辦人布蘭森(Richard Branson)捷足先登，搶先登上了太空，卻被貝佐斯譏笑只是火箭飛機。
到底為何布蘭登會被嘲笑？貝佐斯又是哪來的自信？太空旅行是否會實現呢？讓我們繼續看下去～
摘要
正要起飛的太空科技是許多有錢人爭相競爭的事情，而最近他們都紛紛搭上了自己公司研發的太空船進行太空旅遊。本文以藍源公司和維珍銀河的太空船為例，分別比較兩者不同類型的太空船，一個是被譏笑為太空飛機的太空船，另一個則是貨真價實的太空船，兩者的差別也造就了飛行高度的差異，更凸顯出兩家公司不同的創意。當然還會闡述什麼是「太空」，以及其定義，才能更加明白何謂太空旅行。並藉由太空船如何降落的原理，簡略的說明空氣動力學的基本概念。最後希望大家都能明白，並且啟發出對太空科技的濃厚興趣。
內文
(一)何謂太空
先來談談何謂太空？才能明白太空旅行。
「太空」，如字一般，廣義來說便指地球大氣層以及其他星球之外的空間，不過並沒有明確的界線，因此必須有人來定義這條線。有趣的是，國際航空聯合會訂在海拔高度100公里之外為太空，美國則訂在80公里之外，根本不知道該如何評論⋯⋯，這也是貝佐斯能超越布蘭登的紀錄之一──布蘭登只飛行至86公里上空，而貝佐斯則完成100公里的挑戰，但這是什麼原因造成如此差距呢？兩間不同的公司做的太空船（火箭飛機？）一定有所不同，才造就如此，究竟是用什麼方式呢？下一段來聊聊吧！
(二)維珍銀河v.s.藍源──太空船的差異
首先先來講講維珍銀河的太空船──團結號。這是一架經過多次試驗、改良的太空船，不過要說這是太空船也有點牽強，畢竟這太空船外型似飛機，也沒有降落傘等返回艙，根本不像是火箭，而像是火箭飛機。但究竟要怎麼上太空呢？第一，團結號正如其名，剛升空時是由兩旁的飛機幫助起飛，到了大約海拔13公里時便釋放太空船，再啟動引擎達到大約三倍音速，最後藉由慣性衝至最高點，欣賞地球之美，之後在地球引力作用下返回，並在空氣動力學作用下在跑道上滑行降落，完成旅程。
接著來說貝佐斯，藍色起源的太空船—新雪怕徳號(New Shepard)。與維珍銀河截然不同，這太空船就比較像太空船了，不過有一大亮點是這是可回收的。太空艙被火箭送往50公里高空，再靠慣性爬升至100公里，在這過程中，火箭推進器會慢慢降落到指定的地點(筆者有看貝佐斯的太空旅遊直播)，最後太空艙再由降落傘平安降落，從上到下都能完全回收，不能不佩服藍源公司的技術。
看完了兩家公司的差異，如果你有足夠的錢，你會想搭哪家的太空船呢？
科研實驗室
今天的科研實驗是要來聊聊太空旅行會不會成為生活中的回憶以及維珍銀河的團結號是藉由什麼空氣動力學作用降落在陸地上，讓我們繼續看下去。
(一)太空旅行可不可像現今飛機旅行一樣價格較親民
即使現在太空旅行越來越進步，但這就像電腦剛發明一樣，價格高、又稀有，因此若要像現在搭飛機一樣輕鬆，勢必要經過一番激烈的研究，最重要的當然是降低成本。以一個平凡高中生的理解來說，兩家公司的太空船都能回收，因此關鍵點當然在燃料上，我們就以藍源公司新雪怕徳號的推進器燃料為例，早期開發使用燃料為過氧化氫和煤油，不過煤油因為是混合物，各處的組成成分不同，因此會多少影響作用產生的能量，而且煤油比空氣重，與空氣混合可能會形成爆炸氣，造成危險；而過氧化氫則可能是因為化學性質不穩定，加在水中又需要更大量的過氧化氫，因此改成液態氫和液態氧吧！上述兩者都有各自優點，像是液態氫省空間，密度小(大約為每立方公尺70.8kg)，而液態氧則是搭配液態氫作為還原劑。不過若要再降低成本不是要找到更低成本又安全的燃料，就是改變引擎推力，在經過一番尋找，我找到一個好像能降低成本的方法—離子推進器。
何謂離子推進器？就是將氣體原子、分子產生自由離子，因為電荷周圍能傳遞電荷與電荷之間交互作用的物理場，同時對場中其他電荷施力，將帶電離子加速後噴出，以反作用力使火箭推進，由於只要攜帶氣體，又只須用少量便能達到最終速度，船重也能減輕，感覺是一個可行的方法，使成本降低。
(二)簡介：維珍銀河的團結號降落在陸地上所需要的空氣動力學
空氣動力學(Aerodynamics)，是流體力學與氣體動力學的其中一個分支，研究物體在空氣中運動所產生的各種力。氣體在微觀上就是一直作熱運動並相互碰撞，但在這門學問中，氣體被假定為連續的，因為各種性質(密度或壓力等)在無限小的點上有完整的定義，且一點至另一點是連續變化的。氣體的離散性及原子性可忽略，所以宏觀來說，氣體可被視為連續性的物質。而空氣動力學以三個方面守恆，分別為質量守恆，動量守恆以及能量守恆。維珍銀河團結號的降落就是利用這原理達成，本段只有淺談空氣動力學的基本概念，如果想了解更多，能上網找找，說不定未來你就能打造出更優秀的太空船！
總結
在經過了簡單的講解之後，你一定對空氣動力學有初步的了解。雖然太空旅行對現在口袋空空的我們來說是夢、是幻想，不過按照現代科技的進步快速，也許在不久的將來會實現大家上太空的夢想，如果對這門科學感興趣的話，不妨去找找資料，吸收一些相關的知識，或是問問老師，想想如何去套用在你的自主學習計畫，研究研究，相信沒過多久你一定會有所收穫！
字彙說明
- 質量守恆：一系統總質量不變
- 動量守恆：若一系統所受外力合為零或不受任何外力，則系統的總動量恆為定值
- 能量守恆：一系統總能量不變，但可轉變能量(化學能轉為熱能)
圖片來源
圖片一
- 圖片說明：倘佯在太空中的衛星
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- 圖片作者：SpaceX
- 圖片來源與相關資訊：網址https://www.pexels.com/zh-tw/photo/586056/
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資料來源
- 布蘭森搶先貝佐斯！維珍集團「太空旅遊」首航升空 https://www.stockfeel.com.tw/搶先貝佐斯-維珍集團-太空旅遊/
- 維珍銀河：布蘭森通往太空旅遊的漫長曲折路 https://www.google.com.tw/amp/s/www.bbc.com/zhongwen/trad/world-57819088.amp
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