First Man

就算用燃料如放屁一般噴出氣體,太空火箭也無法脫離地球:物理學家看《登月先鋒》

14 Jul, 2022
就算用燃料如放屁一般噴出氣體,太空火箭也無法脫離地球:物理學家看《登月先鋒》 Photo Credit:《登月先鋒》來源:IMDb

就連外行人也知道,只靠不到300個運算來計算這些資料是相當魯莽的行為。這就好比是拿一臺跟只能操縱瑪利歐行動的紅白機差不多的機器,進行賭上人命的遊戲。

文字:高水裕一|翻譯:王美娟

我們以電影《登月先鋒》(First Man)為題材,來想像實際從地球出發登陸月球表面這件事。這部電影與其說是科幻片,更像是講述尼爾.阿姆斯壯(Neil Armstrong)指揮官人生的非虛構作品。順帶一提,截至目前為止降落在月球表面的地球人共有12人,而且全是美國人。

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Photo Credit:《登月先鋒》來源:IMDb

不過,將日本人送上月球的計畫,目前似乎也相當具體地進行當中,或許不久的將來就能聽到令人開心的消息。

電影的主角是在1969年達成登月目標的第一個地球人——阿波羅十一號的指揮官阿姆斯壯,故事從他決定報考太空人的1961年說起。他在女兒因腦幹癌病逝後,懷著悲痛的心情參加太空人選拔考試的模樣令人印象深刻。順帶一提,我也曾報名參加2008年的日本太空人選拔考試。因為其中一項報名資格是「具備博士學位」,當時剛拿到博士學位的我有幸獲得報考機會。但不消說,我在第二階段的考試就被刷下來了,最後獲選的是油井龜美也大西卓哉金井宣茂這三位。

聽說最後階段的考試中,有項測驗是在模擬國際太空站的封閉空間裡待上一週。錄取為儲備太空人後,還要經過六到八年的訓練才能實際前往太空。這真的稱得上是,只有能代表地球人的精英才勝任得了的辛苦職業。

用任天堂紅白機前往太空?!

讓我們把話題拉回到電影的舞臺1960年代,當時美國提出載人太空飛行的構想,並討論該選擇什麼樣的人物,起初他們似乎也曾認真考慮過找高空鞦韆表演者。

此外,在將人類送到太空之前,也曾先使用動物進行實驗,其中一例就是讓黑猩猩漢姆(Ham)搭乘太空船。當火箭加速到能夠脫離地球的速度時,太空船內部會受到非常大的負荷。原本預估會達到8G,但實際的負荷似乎多了一倍,據說漢姆生還後,因為承受很大的心理壓力,導致牠看到東西就亂咬。被迫進行這項實驗的黑猩猩實在很可憐。

漢姆的這趟飛行是在1961年1月底執行,沒想到短短兩個半月後,蘇聯的尤里.加加林(Yuri Gagarin)就成功脫離地球成為首個進入太空的人。「地球好藍啊」這句名言便是出自他之口。美國見到這令人震撼的成果後,便舉國與蘇聯展開太空競賽。

另外,若以現在的角度來看1960年代的技術,當時的水準低到讓人難以相信有辦法前往太空。正因為是在科學競爭下,由國家來挑戰這個目標,才有辦法以這樣的科學技術將人送上月球表面吧。

當時的電腦,據說跟1980年代推出的任天堂紅白機一樣,CPU都只有8位元。請各位想像一下,一次只能執行2的8次方,即256個運算的電腦。現今的電腦與智慧型手機都是64位元,這樣一比相信各位應該就能明白當時的電腦性能有多麼低。不過,他們究竟想用這種低性能的機器計算什麼呢?主要是控制機體與計算軌道。就連外行人也知道,只靠不到300個運算來計算這些資料是相當魯莽的行為。這就好比是拿一臺跟只能操縱瑪利歐行動的紅白機差不多的機器,進行賭上人命的遊戲。

我們也來看看,儲存控制阿波羅號、計算軌道的電腦程式所用的記憶體吧。這個東西相當於現在所說的硬體ROM(唯讀記憶體)。當時稱為磁芯——線圈記憶體(core -rope memory),是以數條電線複雜地纏繞在狀如串珠的磁芯上。

科幻電影世界觀-101
Photo Credit:台灣東販

據說當時是僱用大批年長女性,猶如刺繡一般進行穿引電線的作業,而從事此細活的女工則總稱為「小老太太們(Little Old Ladies)」。從現在的角度來看,會很訝異「硬體居然是手工製作的?!」可見當時的技術與現在差距有多大。

分離燃料箱的原因

電影《登月先鋒》裡,出現了幾次從地球飛向太空的場景。尤其在載人太空飛行尚未實現的狀況下,挑戰這項任務的太空人身影更是令人印象深刻。電影藉由呈現太空船內部緊迫氣氛的拍攝手法,讓觀眾也能從畫面感受到他們奮不顧身的決心與不安。

這裡先來談談,太空火箭究竟是如何脫離地球的重力圈。動畫之類的作品經常看得到,某角色放了一個大屁而飛上太空的場景。其實現實世界也是如此,若要獲得一定的脫離速度,藉由噴射氣體來加速的推進力是很重要的。

不過,要脫離地球還有一項更重要的必要條件,就是捨棄大部分的質量。這點與前面提到的動量守恆定律有關。雖然地球並非處於無重力狀態,不過這種時候也能藉由將大質量丟到行進方向的另一邊,來獲得更大的推進力。因此,再怎麼用有效率的燃料如放屁一般噴出氣體,單靠這種方式仍舊無法脫離重力圈。

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Photo Credit:《登月先鋒》來源:IMDb

載具燃料所占的質量比稱為燃料比,而火箭的燃料比一定要非常高才行。客機的燃料比大約低於50%,船是20%,汽車是5%,柴油引擎車更是只有百分之幾。相對之下,太空火箭的燃料比超過80%。這是因為若要脫離地球的重力圈,燃燒燃料捨棄大部分的火箭質量是很重要的一點。另外,在發射火箭的影像中,看得到燃料燒完後,分離並捨棄燃料箱的描寫,這同樣是藉由將質量往後丟來獲得推進力。

如此一想,相信各位應該就會明白,如果是在重力比地球小的月球或火星,要離開該星球返回地球時便不需要太大的推進力。反之,如果目的行星,估計跟地球一樣大或者更大,就需要先將返航用的燃料艇送到目的行星吧。只是因為附近的天體湊巧比地球小,才不需要擔心這方面的問題。切記,從燃料運輸的觀點來看,要登陸比地球大的行星其實是更加困難的。

太空會合的優點

月球距離地球約38萬公里。若要將人類送上這顆天體,首先要討論的就是,要用什麼方法降落在月球表面,然後再回到地球。簡單來說,就是讓載具登陸月球,再起飛返回地球,但以燃料的觀點來看這是難度相當高的計畫。於是,他們想出了繞月軌道會合方式(lunar orbit rendezvous)。這個方式就是將太空載具分成在繞月軌道上待命的母船,與降落在月球表面的登月小艇,然後讓兩者在太空中對接。

雖然月球的重力比地球小,但若要連同母船一起登陸,然後再度脫離月球的重力圈,仍舊需要相當龐大的燃料。採用太空會合方式的話,只要靠一艘輕巧的登月小艇在月球著陸與起飛即可,因此可以節省燃料。此外,在繞月軌道上待命的母船能夠維持速度,因此不需要從頭加速,可輕易脫離月球的重力圈。

實際上,1969年執行阿波羅十一號任務時,三名組員當中,踏上月球表面的只有指揮官阿姆斯壯伯茲.艾德林(Buzz Aldrin)兩人,至於麥可.柯林斯(Michael Collins)則在繞月軌道上待命。認識柯林斯的人可能會不滿地表示「也讓他降落在月球上嘛!」但太空會合方式就是這樣的計畫。

最大的難關——對接

太空會合方式是讓母船與登月小艇在太空中對接,而這就是任務成功的一大關鍵。

要讓獲得推進力正在移動的兩個物體一口氣完成連結,是一件極為困難的事。因為只要雙方機體發生一點操作失誤,就很容易導致相撞這種重大事故。關於這點,電影《星際效應》(Interstellar)就出現過,為了脫離某顆行星而匆忙對接,結果發生慘劇的橋段。假如只看成功的畫面,會覺得好像沒什麼難度,但看到《星際效應》這一幕或許就能實際感受到,只要弄錯一步,就會在一瞬間發生重大事故的危險性。電影是以太空人的視角來描寫這一幕,在一片寂靜之中發生大爆炸的畫面真是震撼人心。我認為這個場景,成功表現出在安靜時刻突然襲來的恐懼。

讓我們回到正題上吧。1966年,美國雙子星計畫的雙子星八號,首次成功在太空中完成對接。其中一方是無人機愛琴娜(Agena),另一方則載著阿姆斯壯與副駕駛員大衛.史考特(David Scott)。之前在太空技術上都是蘇聯領先,這是美國頭一次超越蘇聯的歷史性一刻。

不過,對兩名組員而言,這一刻卻也讓他們體驗到前所未有的恐懼。

當時的系統,尚無法在飛行期間持續與指揮中心保持聯繫。正當通訊中斷時,太空船竟發生了意想不到的激烈旋轉運動。前面也曾提到,在太空裡一旦開始旋轉就不會自然停止。電影忠實呈現出,激烈旋轉完全停不下來的恐懼,以及幾乎令人昏過去的嚴酷狀況。建議各位一定要親自看看電影是如何呈現緊迫的船內情況,想像自己若是被迫面臨這種狀況會怎麼樣。模擬體驗未知的恐懼,以及進行左右生死的操作時的緊張感,便能體會到太空人真的是賭上性命的工作。

從雙子星到阿波羅

所幸兩人最後平安無事地克服這個意外,雙子星計畫也成功落幕。

到了1967年,阿波羅計畫終於正式展開。但是,計畫才剛開始就發生悲慘的事故:阿波羅一號的三名組員因艙內失火而全數死亡。為了前往太空,究竟要犧牲多少人呢?社會也對國家將經費花在登月計畫一事掀起批判聲浪。從電影的描寫可以看出,來自貧困階層的批判尤其激烈。

在這樣的社會情勢下,阿波羅八號於1968年成功載人繞著月球飛行。之後,阿姆斯壯被任命為阿波羅十一號的指揮官。

阿波羅十一號在1969年7月自地球啟程。順利脫離地球軌道後,組員們的工作暫時告一段落。電影裡有一幕是描寫組員們在太空船內聽歌的情形,令人印象深刻的是,當時使用的還是卡式錄音帶。順帶一提,前往月球的飛行路徑跟阿波羅八號一樣,都是採8字形方式。阿波羅八號的任務標誌就是源自於此,畫一個大大的數字8,代表連接地球與月球的軌道以及任務名稱。

飛向月球的期間,太空船鮮少藉由噴射氣體來獲得推進力。因為在太空裡,只要能產生一開始的初速度,即可單靠慣性持續飛行來節省能源。發射後太空船大約花了三天進入月球軌道,到了第四天終於要執行登陸任務。柯林斯駕駛哥倫比亞號於繞月軌道上待命,登月小艇老鷹號(Eagle)則與前者分離,往月球表面降落。這是1969年7月20日晚上發生的事。停留在月球表面的時間只有短短的兩個半小時,登陸的地點則是稱為「寧靜海(Mare Tranquillitatis)」的地方,位置正好相當於月兔的臉部。指揮官阿姆斯壯先走出來,19分鐘後艾德林也站上月球表面。這歷史性的一刻與那句名言,透過轉播放送到全世界。

坊間有傳言認為,當年人類登陸月球這件事其實是場騙局。質疑的根據之一就是,登陸影像裡的美國國旗在無風也無大氣的月球上飄動,這點很奇怪。但是,就算沒風,在太空裡只要有了速度就會停不下來,這樣一想,國旗看起來像在飄動也是很自然的現象。再者,只要看了之後的載人登月成功案例,就沒有理由質疑了。

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Photo Credit:Neil A. Armstrong, Wikipedia@Public Domain

從月球看到的夜空與太陽

在《登月先鋒》這章的最後,我想跟各位談談幾個有關月球的常見問題。

首先,月球表面的重力比地球小,大約只有六分之一,行走在月球表面時是跳著前進。就連有重量的太空衣,穿的人應該也不會覺得重吧。如此一想,前往像月球這種比地球小的天體時,太空衣或許就不太會造成阻礙。不過,若是登陸在比地球大的行星上,太空衣本身的重量也會增加,光是要移動就很吃力吧。

同場加映

本文摘錄自《物理學家帶你看懂科幻電影世界觀:回到未來、星際大戰、天能……探索時間與宇宙的奧祕!》,東販出版
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書籍介紹

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《星際效應》裡的黑洞和實物一模一樣?時隔30年發現和《星際大戰》的塔圖因星相似、擁有兩顆太陽的行星!

從宇宙物理學專家的視角,探索科幻作品的可能性和界限。時間旅行對人體完全沒有影響嗎?逆轉時間是怎麼回事?要跟外星人交流別忘了戴上呼吸面罩、如果在太空中玩指尖陀螺……重遊科幻作品的世界,抽絲剝繭找到箇中奧妙。

虛構作品引領著未來的科學?本書以科幻作品為題材,根據現代的物理學,盡可能簡單說明電影本身或當中描寫的現象的科學背景。曾以為只會存在於夢想中的瞬間移動、星際飛行、時空旅行……也許有一天,時代的進展突破了科幻世界的高牆,來到現實世界。

責任編輯:林君玶
核稿編輯:楊士範

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