[hkscience] 修理哈勃很「危險」

  • From: Nick Lee <lee1nick@xxxxxxxx>
  • To: hkscience@xxxxxxxxxxxxx
  • Date: Tue, 19 May 2009 23:06:55 -0700 (PDT)

Hello,

Here is my latest essay. Enjoy.
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題目:修理哈勃很「危險」

執筆時,穿梭機阿特蘭蒂斯號上的太空人應該正在忙碌修理哈勃望遠鏡。這第五次也是最後一次的哈勃維修任務有一特點,就是需要另一架穿梭機奮進號在地面待命,以防太空人萬一遇上什麼「意外」,可以立即升空營救。這不尋常的「舉動」是否代表今次任務特別「危險」?

是,因為目的地是哈勃望遠鏡,而不是國際太空站。

穿梭機升空,大多以國際太空站為目的地,以補給、修建、實驗為目的。任務期間,假如穿梭機遭到任何損壞或故障,而太空人又無法修理,怎麼辦?只有等,在太空
站裡面等。美國太空總處現時共有三架穿梭機:發現號、阿特蘭蒂斯號和奮進號,正常情況下,只有最多一架在太空。從前,每次穿梭機升空都有一個附屬的
Launch On
Need 
任務,也可說是一個備用但未必執行的拯救行動,以應不時之需;可是,由於計劃和訓練需時,拯救隊最快40天之後方能升空,幸而太空站通常儲存了70至80天的糧食,待援的太空人故無糧斷之慮。今年開始,太空站的儲糧更為充足,只要每次穿梭機按原定日期升空(通常兩次任務相隔不超過四個月),太空
人即使被困也可以等待下次救援,Launch On
Need任務遂被廢除。可見,美國太空總處對穿梭機因各種原因而未能回航的顧慮非自今日始,關鍵是,糧食多寡決定太空人時日之長短。

今次,穿梭機的目的地是哈勃望遠鏡。不用說,鏡內沒有糧食,倘若穿梭機因某些原因不能回航,太空人只能靠機艙內大約25天的糧食渡日。想到國際太空站?不
能,因為望遠鏡跟太空站各有不同的軌道,太空人不能在兩者間穿梭。舊時的Launch On
Need也不管用,因為40天後方能起飛,遠水救不了近火。這就是奮進號在發射台候命的原因;如有需要,3天後可以升空,仲快過我買張機票。

奮
進號的角色說過了,但哈勃任務比較「危險」的原因不止於此。相信讀者都聽過太空垃圾的問題,大件的包括火箭殘肢和廢棄的人造衛星,小的有爆炸碎片(設計不
佳的人造衛星有時會意外爆炸)、機械零件(日久失修的人造衛星可能會有零件脫落)、油漆、碰撞產生的碎片、甚至是太空人不慎丟失的工具(例如一隻手套),
各式各樣,想像得到的都有,不要以為體積細小便不用理會,它們的「殺傷力」來自其速度。哈勃望遠鏡離地面約570公里,在這個高度圍繞著地球運行的物體
(包括太空垃圾),速度大約每秒8公里;作個對比,子彈也不過是每秒1公里。離地面500至1500公里的範圍是十分「擠擁」的,很多人造衛星以此區域作
為其軌道,太空垃圾也特別多,不幸地,哈勃望遠鏡就是位於此區域。國際太空站離地面約350公里,這裡的垃圾較少,被撞的機會也較小。阿特蘭蒂斯號進入哈
勃軌道要面對較大「危險」,不言而喻。

相對地面而言,太空始終「地廣星稀」,無論怎樣「擠擁」,真正碰撞的機會應該不大吧。不大是對,但肯定不是零。今年2月便有兩顆人造衛星在西伯利亞上空相撞,是次撞擊增加了太空垃圾的密度,當然也增加了哈勃任務的「危險性」。

美
國太空總處對「危險性」必須有具體的量化,才能客觀地評估每個任務是否可行,他們稱這個數字為Loss Of Crew and Vehicle
(LOCV)
ratio,以1:X表示,X愈小愈危險。這個比例有什麼意義呢?讓我作一簡介。穿梭機回航進入大氣層,為了抵受與空氣摩擦的高溫,機身表面是一層耐熱物
料。這層耐熱物料可能被一些微小的太空垃圾撞擊而受損,因此穿梭機回航之前,太空人必須檢查並修復所有「嚴重」瑕疵(什麼叫「嚴重」,什麼是「可以接
受」,他們當然又有另一套準則,時間所限,執筆時無暇查閱),假若瑕疵不能修復,穿梭機回航不得,這就是一次LOCV事件。LOCV
ratio就是美國太空總處對某次任務會出現LOCV的機會的估計。

影響LOCV
ratio的因素非常多,包括任務的長度、太空垃圾的密度、機身的方向、檢查機身的方式等。去年10月的LOCV
ratio是1:185,今年2月人造衛星相撞後急降至1:157,後來操作上作些技術性改良,把之推回1:185。可見,這個比例是多麼受外在環境影
響,及其「可塑性」有多高。

根據指引,穿梭機任務的LOCV 
ratio不應大於1:200,話雖如此,美國太空總處是有「酌情權」的。今次哈勃任務,他們有否運用「酌情權」,我卻不能肯定。是次任務正式被批準是在4月30日,此日期前我看到的最後一個LOCV
 
ratio是1:185,但此日期後某些報道卻有1:229之說,185哪個時候被改成229,找不到。以上引用之數字全非第一手資料,若有錯漏,見諒。讀眾中如有知情者,請指教。

除了被動地計算被撞的機率,也可主動地追縱和監測。美國軍方的U.S. Space
Surveillance Network其
中一項日常工作就是以雷達追縱和監測一些體積較大的太空垃圾,預測可能發生的「太空碰撞」並發出警告,讓有關的人造衛星或航天器有充分距離和時間開動引
擎,改變航道以避過碰撞。不過,正如2月的人造衛星相撞事件顯示,監測工作或有百密一疏,又或者衛星負責人慣性地忽略「狼來了」的警告(內情可能遠較複
雜,有興趣的讀者應上網查看),當中的技術和人為因素,令這個系統不盡完美。

不說不知,原來哈勃望遠鏡是沒有引擎的,即使預見可能碰撞,也不能迴避,頂多只能調較角度以減低相撞的橫切面,幸好至今安然無恙。今次的維修任務會把其壽命延長四、五年,希望幸運之神繼續眷顧,讓哈勃望遠鏡為科學發展盡最後一分力。

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