航天科技｜告別即棄火箭！超強火箭重用技術大解密 未來有望「平價」上太空？｜星島教室

如果我們每次出國旅行，到達目的地後便把飛機丟棄，下次旅程又再造新飛機，旅行費用會有多驚人？這聽起來很不合理，但過去的太空探索使用的火箭確實是這樣。為了把衛星送入軌道，火箭絕大部分體積都必須用來裝載燃料，以達到每秒7.9公里的「第一宇宙速度」。當火箭耗盡燃料後，殘留的箭體便會墜回大氣層，龐大的動能因與大氣摩擦轉化為熱能，導致其在高空燒毀，或是化作殘骸掉進海裏。這種「用完即棄」模式，使每次發射成本都十分高昂。

美國穿梭機與SpaceX

為了打破這種模式，人類曾進行大膽嘗試，最著名的莫過於美國太空總署（NASA）的「穿梭機」。穿梭機的設計初衷是打造出能像飛機一樣頻繁往返的「航天巴士」。它的機翼能以滑翔方式降落在跑道上，而巨大的固體助推器則透過降落傘回收。然而，這項長達30年的計劃最終在2011年宣告結束，主因是「回收成本」與「安全風險」都遠超預期。

穿梭機的維護難度其實遠超乎想像。為了抵禦再入大氣層時的高溫，其機身鋪設了2萬多塊昂貴且脆弱的隔熱陶瓷磚，每次飛行後都必須逐一檢查修補。此外，複雜的氫氧引擎在每次回收後都要進行拆解檢修，若將龐大的研發與維修費用攤分，單次發射成本便高達15億美元，往往超過許多一次性的火箭。加上「挑戰者號」與「哥倫比亞號」的兩次慘痛事故，證明了這種想法並未能真正實現。

進入21世紀後，SpaceX開啟了另一條技術路線：垂直起降。它的第一級火箭在分離後，會依靠剩餘燃料再次點火，在高空展開格柵舵等翼面控制空氣動力方向，並在着陸前啟動引擎反推抵消重力。這種極致的控制雖然着陸精準度極高，但是必須預留15%至20%的燃料以供返航時減速之用，直接削減了火箭運送衛星的能力。儘管如此，SpaceX的「獵鷹九號」仍憑此技術實現了單枚箭體執行超過30次的重複使用任務，徹底改變了全球衛星發射的版圖。

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中國可重用火箭技術

隨着國家「十五五」規劃正式展開，中國加速推進大規模低軌衛星星網的建設。這項國家級太空基建工程，催使中國可重複使用火箭技術自2025年底開始進入了關鍵的爆發期。其中「朱雀號」、「力箭號」、「雙曲線號」及「智神星號」分別代表了不同的工程哲學與技術路線。

在液氧甲烷陣營中，藍箭航天的「朱雀三號」與星際榮耀的「雙曲線三號」是兩大主力。甲烷燃料的優勢在於燃燒極為乾淨，在引擎高溫燃燒下也不容易產生「積碳」，使引擎在回收後毋須經過長時間清理，大大縮短了再次發射的準備時間。不僅如此，「朱雀三號」更大膽採用不鏽鋼作為箭體材料。傳統火箭多使用鋁鋰合金以追求極致輕量，但鋁合金耐熱性差，必須依賴厚重的隔熱層；不鏽鋼雖然較重，但在攝氏800度的環境下仍能保持結構穩定。這意味着「朱雀三號」重返大氣層時，能直接抵禦氣動加熱。

另一邊廂，星河動力的「智神星一號」在2025年底成功完成海上平台試驗，並突破垂直回收的核心物理難題——「大範圍變推力技術」。火箭降落並不是單純的自由落體後再開引擎，當耗盡大部分燃料返回地面時，箭體重量變得極輕。如果引擎推力無法大幅度調低，火箭非但無法如預期般降落，反而會被過大的推力再次推上半空。「智神星一號」成功掌握了這種猶如在空中「精準輕踩煞車」的技術，為2026年的首飛奠定了基礎。

至於中科宇航，則探索了另一條善用流體力學巧勁的「傘降回收」路線。其研發的「力鴻一號」在2026年初成功完成了百公里級的傘降回收測試。當飛行器重返大氣層後，會依序展開引導傘與巨型主傘，增加阻力系數來大幅消耗動能，底部更配備安全氣囊以緩衝最後接地的衝擊。傘降的最大優勢是毋須預留降落燃料，引擎推力能全額用於衛星的運載。這些關鍵回收數據將為日後的「力箭二號」研發，提供核心的技術支撐。不過，傘降軌跡易受高空風速影響，若最終降落於海面，海水鹽分會對精密的金屬管線與引擎造成嚴重腐蝕，增加了後續翻修的難度。

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太空經濟平民化未來

這場技術革命並非中美兩國的專利，全球各國也投入這場變革浪潮。歐洲航天局（ESA）正透過「Themis」計劃研發可回收火箭示範器，致力於將甲烷引擎技術本土化；俄羅斯也在推進「阿穆爾」（Amur）甲烷火箭計劃，試圖追趕垂直回收的節奏。當可重複使用技術全面成熟後，人類進入太空的成本有望降低至目前的十分一甚至更低。或許在不遠的將來，我們去一趟太空，真的會像今天買張機票出國旅行一樣平常！

小思考，大智慧

1. 文中提及「第一宇宙速度」，你知道甚麼是「宇宙速度」嗎？
2. 為甚麼火箭須採用「精準輕踩煞車」的技術降落，而不能像無人機一樣，先在空中停一停再慢慢降落？

參考答案

1. 「宇宙速度」是物體從地球出發，脫離天體重力場所需的最小初始速度。「第一宇宙速度（環繞速度）」約7.9km/s，用於圍繞地球飛行；「第二宇宙速度（脫離速度）」約11.2km/s，用於擺脫地球重力，進入太陽系；「第三宇宙速度（飛離速度）」約16.7km/s，用於飛出太陽系；「第四宇宙速度」估計為120km/s，能擺脫銀河系，飛向更遙遠星系際空間。
2. 火箭着陸時，由於燃料幾乎耗盡，機身重量極輕。此時，發動機調至最小推力，也往往超過火箭剩餘的重量，導致它無法在空中懸停。因此，控制系統必須精算出完美的「煞車點」，在精準的瞬間發動，確保火箭在腳架觸地的剎那，速度剛好歸零。點火若早了一秒，火箭會因推力過大而反彈升空；晚了一秒，則會因減速不足而直接撞毀。

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本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。

文：協和小學（長沙灣）副校長中華基督教會鄭俊傑、協和小學（長沙灣）中華基督教會老師王溢濠、協和小學（長沙灣）中華基督教會老師楊倩儀

本文標題原為〈航天探索：告別即棄火箭時代〉。

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