NASA的花甲歲月——永不停歇的太空夢
 
2018/10/10
 
邱惠玲 | 國立鳳新高級中學
 
 
美國國家航空暨太空總署(以下簡稱NASA),正在計畫慶祝60歲生日。1958年7月29日,NASA由國家航空諮詢委員會(NACA)正式轉型,而發展未來的太空探索、科學發現及航空研究,則成了最重要的願景。
 
 
60年來,NASA毫不猶豫的擔負起發展太空科技與探索宇宙的重任,並且不負眾望。這一塊太空科技的老招牌,豐功偉業多到說不完,每一件都可以寫成一則長篇故事。但鮮少有人注意過,NASA在太空科技之外,究竟怎麼影響了我們的生活?而人類又如何影響了太空科技的發展呢?我們就由幾個事件,來了解美國太空科技從苦苦追趕直到領先的一甲子歲月吧!
 
   史波尼克危機
 
說到NASA的成立,大家就會聯想到太空競賽及史波尼克1號。這顆83.5公斤重的金屬球在天上嗶嗶作響,引發全美焦慮,華爾街還因此發生小股災。最後逼得美國成立NASA,撒下大筆資金,全力發展太空科技。這個已然耳熟能詳的故事,怎麼聽都覺得不大對勁——怎麼可能有一顆金屬球發射到太空轉啊轉,美國就成立一個機構專門發展太空,而不是更加認真地發展軍事把衛星打下來?答案不難——當時美國覺得自己的飛彈和航空是世界第一的!美國可是1903年就讓飛機在天上飛了呢!
 
 
 
在史波尼克1號上軌道成功運行前,美國曾嘗試發射人造衛星,結果發射兩次都失敗。沒想到,原本落後的蘇聯就在這時快速超越了美國,還讓美國成天擔心衛星在天上偷取資料,簡直狠狠地打了一巴掌。在史波尼克發射後,美國除了兩天內算出衛星軌道,也進行一系列的軍事與太空部屬及發展計畫,並在隔年發射美國的第一顆人造衛星「探險者1號(Explorer 1)」,並成立NASA。這樣的「史波尼克危機」,意外讓國家科學基金會拿到大筆研究經費。或許這對當年的美國是個危機,但因為隨之興起的危機意識,讓此事件成為美國太空科學研究蓬勃發展的轉機。
 
   「人」、「太空人」與「太空計畫」
 
太空計畫一定要人嗎?是的。我們需要研究人員、機械人員、工程人員……。
 
太空計畫一定要太空人嗎?以現在的角度,您可能會說不一定。然而在當時絕不能輸的氛圍下,NASA在太空科技領域被期待著趕上並超前世界各國。史波尼克1號之後,蘇聯動作很快地送了活體生物上太空。該怎麼讓國會、美國民眾對太空科技進步「有感」?就是儘快將太空人送到外太空,並且比蘇聯更快登陸月球。
 
為了這些期待,NASA成立後,延續NACA的任務規畫,執行水星計畫,目的就是將人類送到地球軌道上。這個計畫從1959年進行到1963年,並在1962年2月20日由水星—擎天神6號(Mercury-Atlas 6),成功讓約翰.葛倫上校(John Herschel Glenn Jr.)成為第一個進入地球軌道的美國太空人(註1)。雖然前進好大一步,可是這樣的成就,在當時尚不足以鼓舞士氣。在美國甘迺迪總統的命令下,NASA檢視了當時的軟硬體狀況,認為最有機會獲勝的就是「讓人類登月」,而且第一個登月成功的國家,一定要是美國!
 
 
讓人類成功登月,並且要平安返回,不是容易的事。水星計畫後緊接著執行的雙子星計畫,總共進行了10次載人飛行,這樣更先進的太空旅行經驗,為阿波羅登月計畫打下堅固的基礎。期間美國與蘇聯也促使聯合國訂立太空探索和利用活動的條約原則。雖然太空競賽乃至登月這些事,在當時鹿死誰手還不知道,但畢竟有國家能去太空,接下來的規範還是先訂好比較保險。
 
臺灣有句俚語說:神仙打鼓有時錯。這些計畫即使經過多次測試,從無人、動物、靈長類到人類……也很難避免失誤。1967年,美國的阿波羅1號與蘇聯的聯盟號1號,都發生太空人罹難的事故。儘管令人悲傷,但太空科技的腳步沒有因此停止。在加緊修正問題後, 1969年,阿波羅11號成功登陸月球,美國終於贏得登月競賽。為了紀念因登月活動犧牲的美國和蘇聯太空人,阿波羅15號執行任務時,在月球上留下了一個刻有姓名的紀念牌和一個倒下的太空人雕像。
 
 
   太空梭主場的年代
 
美國舉國上下同聲一氣,在務必使登月成功的氛圍下,太空科技以前所未有的速度進步著,也因此在登月成功後,一度失去了太空任務的目標。人類都能到月球了,還有什麼特別的事情?許多事情是相輔相成的。當時積極發展太空科技,除了解決大家對太空的迷惑外,最主要的還是軍事考量。在登月競賽勝利後,太空計畫經費緊縮,加上蘇聯沒有太多動作,太空科技的發展也就不用那麼趕。
 
想當然爾,下一個階段依然是來自美蘇的較勁。巧婦難為無米之炊,想較勁也總得有錢。美國這時候的競爭籌碼,是阿波羅計畫當時剩下的材料。月球相較於其他天體近很多,如果想去更遠的星球,只靠當時的設備肯定是無法成行的。問題除了硬體設備之外,還有太空人長時間在外太空的身體狀況是不是撐得住。這樣的前提下,美蘇都同樣在進行太空實驗站的研究。NASA使用阿波羅計畫的材料,製作了太空實驗室(Skylab),同樣由無人到載人的測試順序開始進行。這還不夠,既然經費已不像以前容易取得,研發可以重複使用的太空載具是當務之急,於是太空梭誕生了!
 
 
美國不是唯一擁有太空梭的國家,卻是最早成功利用它進行載人任務的國家喔!NASA太空梭計畫的官方正式名稱為太空運輸系統(Space transportation system,STS),能發射衛星、酬載太空中的實驗室,也負責補給運輸和維修太空望遠鏡的任務,像是大型軌道天文台計畫(較為人熟知的是哈伯望遠鏡)、伽利略號、尤里西斯號、國際太空站建設……等,都仰賴太空梭的協助。截至2011年,美國太空梭總發射次數是135次——成功發射134次,成功返回133次。但,也失敗了2次。
 
1986年挑戰者號在升空後73秒即爆炸,搭載的太空人全數罹難,其中包含一位教師。事件發生時,許多新聞媒體在現場直播發射過程,讓許多民眾親眼目睹了這可怕的災難。事故後,太空梭計畫被凍結32個月靜待調查。調查發現,NASA明知道由承包商設計的固態火箭推進器,其中的零件「O形環」有缺陷,卻沒有提出改進意見。此外,為顧及延宕的發射時程,卻忽視工程師提出在低溫下發射,O形環失去彈性後可能失去密封能力的警告。這些問題綜合起來,造成了如此嚴重的災害。負責調查的特別委員會提出9項建議,並要求NASA在太空梭飛行計畫進行前完成。在社會氛圍上,美國民眾陷入悲傷情緒中,連帶引起民眾的憤怒。太空梭因爆炸解體時,有媒體將鏡頭轉向站在附近觀禮的太空人家屬,家屬震驚、悲傷、難以接受的表情,全都播放在電視上……。事後許多民眾認為這樣的畫面太過殘忍,因此NASA在這次事件後,也對家屬觀禮台位置做了調整。
 
慘痛的代價提醒著NASA,人命關天,不管怎麼著急,還是要把每一件事以最謹慎的態度面對。這個事件當然不是單一個人該負責,而是整個組織中處理事情的方式出了問題。在改善了許多缺失後,太空梭順利的帶回了民眾的信心,完成了許多任務。
 
只可惜,2003年再次發生哥倫比亞號的太空梭事故,一些像海綿般的泡沫塑料在太空梭發射時掉落,擊中左翼。太空梭順利發射了,但哥倫比亞號在返回地球時,解體、破碎、燒毀。其實,發現泡沫塑料擊中太空梭時,一位工程師就已向主管單位提出這個問題,但他的積極反應卻沒有在有限的時間內被接受、處理。事後有科學家提出,如果早點發現,哥倫比亞號不要回來,想辦法用別的太空梭把人接走,也許就能避免人員傷亡。雖然挑戰者號事故後,人員緊繃了一段時間,但隨著時間久遠,大多數人早已習慣這種不重要的垃圾在發射過程中掉落,使得災難再度發生。哥倫比亞號事故再次讓太空梭停飛兩年,致使許多太空計畫延宕。這段時間,除了國際太空站的建設暫停,太空所需的補給完全只能依靠俄羅斯聯邦太空局。
 
有許多太空計畫依賴著太空梭與太空人,但太空梭頻繁穿越大氣層,是有使用年限的。美國當年的太空梭是以20年、100次發射為設計基準,這樣計算起來,許多太空梭已經到「使用期限」了,NASA必須要面對這個問題。此外,過去美國的國力強大時,可以同時支撐五架太空梭的經費,現在光是大型任務(例如哈伯望遠鏡,或是還在繼續燒錢的詹姆斯.韋伯望遠鏡)都必須與其他國家合資才有辦法進行,要養太空梭可能沒有那麼輕鬆了。在一片惋惜聲中,NASA在2011年讓所有太空梭除役,太空梭任務成為過去。
 
 
   鎂光燈之下
 
也許太空梭與太空人,代替無數的研究人員接受了鎂光燈,但在燈光沒有照到的地方,許多計畫或者依循國家發展方向,或者追求科學真相,其成果同樣令人驚豔!
 
從前段所述我們可以發現,早期太空科技發展倚靠著軍事基礎而茁壯,早期的太空任務,也有很多是由軍官擔任太空人。可是,太空任務無法一蹴可幾,這些任務背後有許多科學研究必須同時進行。發射飛行器需要火箭,那麼火箭要不要研發?這些飛行器要不要通過高速的風力測試?要不要進行風洞實驗?太空競賽開始以後,美國將數學與物理列為中等學校重點科目,因為這類型人才在當時非常不足啊!
 
登月只花11年就成功了,但人類對地球及太陽系,甚至太陽系外,所知仍有限。太空科技發展再怎麼快,理論和儀器還沒出來,就是得等。那時候即使是地面觀測,也同樣遇到科技跟不上的瓶頸(註2)。NASA團隊意識到這件事情,進行了一系列無人探測計畫。除了飛向宇宙,也有許多計畫是為了更了解地球,包含地表、生物圈、大氣層、海洋,還有固態地球。例如雨雲衛星(Nimbus)和靜止環境觀測衛星(Geostationary Operational Environment Satellite,GOES)讓我們對地球的天氣系統、環境和大氣,有革命性的研究成果;ICESat與ICESat-2(註3)幫助我們判斷極區冰原的變化,與海平面是否上升。
 
 
在地球以外,NASA也默默地完成許多事情。過去,我們一直思考著是否有其他星球擁有生命,進而探索地球附近的行星。一系列水手任務,看到金星、火星與地球如此的不同。其中,麥哲倫號(Magellan)利用合成孔徑雷達的技術,描繪金星的地表,讓我們看到金星上像是煎餅一般的盾狀火山。維京1號(Viking 1)拍攝到火星上看似人臉的圖像,引發民眾對火星的興趣,但隨著影像品質的提升,後來發現那只是塊高地。即使如此。民眾對火星仍興致勃勃,許多民間團體甚至認為NASA對火星的觀測還不夠深入,火星具有外星生命的傳言也從未停止過。這些促使更多的火星任務被規劃,NASA更訂下2030年人類登陸火星的期程。
 
 
NASA還想「看」更遠。例如近年發射的新視野號(New Horizons),讓我們終於可以看清冥王星,更有可能看到太陽圈(heliosphere)。可是延伸到太陽系外,可見光或許能觀測的有限,NASA的科學家也讓觀測波段延伸,例如錢卓拉X射線天文台(Chandra X-ray Observatory),它具有極高的空間解析度和光譜解析度,讓X射線的觀測延伸到光譜觀測,更觀測到銀河系中心超大質量黑洞人馬座A的X射線輻射。而且,不只空間,科學家還要追求宇宙的結構和演化資訊,於是有了宇宙微波背景探測者(Cosmic Background Explorer,COBE)、威爾金森微波各向異性探測器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,WMAP)以及近年與歐洲天文總署合作的普朗克衛星(Planck),而其觀測結果成為大霹靂理論的重要證據。
 
   民眾與太空科技的距離
 
NASA發展太空科技,到底造福了誰?如果民眾並不想找外星生命,也不想知道宇宙有多大,更不覺得外星移民有多重要,那麼這些太空科技到底與民眾有什麼關係?
 
90年代,美國進行一項民意調查,有55%的美國民眾認為NASA不斷的燒錢,沒有貢獻,因為一系列的大型計畫經費根本燒到民眾想無感都不可能。民眾不知道的是,太空科技的發展,連帶的讓我們生活更便利!它與民眾的關係比你想的還緊密!例如現代人每天使用的手機衛星導航、家裡使用的空氣清淨機、衛星電視、記憶枕、打電動用的搖桿,甚至到醫療用的義肢,都是應用自太空科技。如果你不是高科技族群,也同樣受惠於太空科技,例如食物真空包裝的保存,就是太空科技的概念。當然,民眾生活物品應用於太空科技的就更多了。舉例來說,雖然太陽能發電來自太空科技,但衛星使用的新型太陽能面板,被設計成飛到太空才打開,這靈感可是取自民眾使用的折疊傘喔!
 
一甲子歲月,NASA因為國家的需要而誕生,汲汲營營於太空科學。它在許多人的期待中誕生,背負著不同人的願望。也因此,NASA從來不是關起門來、令民眾遙不可及的單位。60年來,它的計畫仰賴不同的人進行,而它,也默默地影響全世界。我們偶爾因科學的進步、宇宙的新發現而發出讚嘆,正表示我們對這些研究的欽佩之意。現在,花甲之年的NASA不再覺得孤獨,因為許多國家都加入探索太空的行列。也許你會想問,臺灣是不是也經營著太空夢呢?
 
是的。我們沒有NASA,但我們有NSPO(註4)。
 
 

註1:第一個進入外太空的人,是蘇聯的尤里.加加林(Юрий Алексеевич Гагарин,或譯為Yuri Gagarin)。在加加林的宇宙飛行幾個月後,美國也送艾倫少將(Alan Bartlett Shepard Jr.)進入太空。但兩人都在地球附近軌道活動,沒有繞行地球軌道。
 
註2:天文學家長期以底片或將顯影劑塗在玻璃上的方式來進行地面觀測,對當時的天文學家來說,這種觀測方式已達極限。直到CCD出現,地面天文觀測才有了非常明顯的進展。有科學家誇張地說,當時根本是一個天文界在等CCD出現的年代。想了解更多,可參閱中研院王祥宇副所長的「影像科技大躍進——談CCD的發明」(PDF下載連結)一文。
 
註3:2018年9月發射ICESat-2。
 
註4:國家太空中心(NSPO)的研究計畫和研究成果,可以參閱太空中心網站(http://www.nspo.narl.org.tw/tw2015/),或至科技大觀園網站搜尋「太空中心」喔!

(本文由科技部補助「科普資源整合運用與推廣整合型計畫」執行團隊執行編輯)

審校:黃崇源|國立中央大學天文研究所
 
 
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