NASA為移居火星築夢，外星家園設計比賽揭曉

隨著對外太空的探索腳步加快，移居火星也成為人類的夢想之一，美國太空總署（NASA）舉辦的火星棲息地3D列印大賽日前結束，具良好擴建性及採光的4層螺旋狀建築在決選中脫穎而出。

對於各項太空探索任務而言，成功移居外星將是人類的重大里程碑，這也意味著將有更多行動可被執行，在解決維生資源永續循環後，如何有效率地打造居住基地也成了難題之一。目前科學家擬採用3D列印科技，使用相對應的材料、元素，按設計圖在該星球上直接打造建築。

自2015年起，超過10個專業團隊參加了NASA行星基地3D列印設計大賽，近日揭曉前3名設計作品，這些建物不僅要有良好的外型，NASA更設下諸多嚴苛限制，如需至少具有約1000平方英呎（約28坪）、可供4人正常生活1年，並設有容納所需機械工具的存放空間。最重要的是，這些建築物必須完全透過3D列印打造而成，讓太空人甫登陸便可有效率地搭蓋入住。

此外，NASA在美國時間2日亦公布，繼預定於2024年執行的人類登月任務後，將在2033年執行火星載人任務，若然成真，屆時將會是歷史創舉，對人類探索宇宙的夢想寫下更多可能。

3D列印微火箭Electron引領太空貨運新紀元

前陣子太空科技新聞無不報導巨大的Falcon Heavy火箭發射成功，然而火箭尺寸除了往大發展，近日迷你火箭界也有不可忽視的佳績。

日本在2018年2月3日發射全世界最迷你的火箭 SS-520五號機，大約跟電線桿一樣大，SS-520 把大學生打造的迷你衛星TRICOM 1R（基於開放硬體的立方衛星UPSat）成功送上太空軌道，達成發送人造衛星成功的最小火箭世界紀錄，不過這只是日本經濟產業省牽成的非商業計畫。

這樣小型火箭越來越受到歡迎，為什麼呢？跟小型衛星的發展有很大關係，尤其是略同電腦主機大小 3～5 公斤重的立方衛星，價格便宜大學生即可自行打造。這樣小小的衛星以載重數噸的大火箭送到太空很不經濟，必須跟他人成果集貨起來一起發射才划算。然而：

大火箭發射的航期，間隔比較長

小衛星的優先度比不上大衛星與其他大型酬載

風險：如果發射失敗，一次百來顆的微型衛星就毀於一射

如果有公司提供運費便宜（SpaceX 已經是業界最便宜，「運費」也要 5,500 萬美元）、發射頻率又比較高的小型火箭就好了，而 Rocket Lab 就是其中佼佼者。

太空公司？貨運公司？

Rocket Lab 是紐西蘭的私人太空公司 ，在2018年1月21日成功發射了 Electron 火箭，把3顆迷你衛星送上軌道，創下 3 項新的世界紀錄──世界第一支電控引擎的火箭、第一支碳纖維火箭、第一支從南半球發射的火箭。

火箭發射業可說是一門貨運生意，如果說 SpaceX、ULA 提供貨櫃車級的運送服務，那麼 Rocket Lab 大概就是小貨車等級的業者。更進一步，Rocket Lab 跟 ULA 一樣提供線上客製化購物車（筆者過去有分享過 ULA 的購物車），表單填好付費完成，就可以在指定時間把你的小型衛星（smallsat，100公斤以下 ）或立方衛星（cubesat，1 到 3 台電腦主機的大小， 約 3~10 公斤，前述 UPSat 即是）發送到太空軌道。此外，比起 ULA ，Rocket Lab 提供了更貼心的服務，其網站有提供專門的手機版介面，用手機也可以輕易下單。

▲ Q1 的航班已經被預訂 60%。（Source：Rocket Lab）

▲ 給你的小小衛星挑機位，最低運費只要 7.7 萬美元。（Source：Rocket Lab）

 

Electron 火箭的設計與製造

Electron 是兩段式火箭，高 17 公尺、直徑 1.2 公尺，承載重量是 150 ～225 公斤，也就是說 Electron 大約有 6 層樓高，比日本的 SS-520 大一些也可以載得更多。火箭主體採用輕量碳纖維複合材料製成，設計目的是把常規 150 公斤的物品發送到離地 500 公里高的太陽同步軌道。

▲ Electron 火箭的黑色外殼是因為採用碳纖維複合材質。（Source：Rocket Lab）

火箭動力來自 Rocket Lab 自行開發的拉塞福（Rutherford）液態燃料引擎，引擎名稱是紀念紐西蘭已故著名物理學家歐尼斯特·拉塞福（Ernest Rutherford）。

一顆拉塞福引擎的重量只有 35 公斤，材質是鈦合金，在設計上，其燃料供給控制迥異於傳統火箭，是透過電控以鋰聚合物與馬達的組合來運作幫浦（electric-pump feed cycle），把燃料與氧化劑打進燃燒室產生推力，而且軟體控制取代了傳統的硬體控制，比起傳統氣體產生器循環式（gas-generator cycle ）50% 的效率 ，拉塞福引擎可以達到 95% 的燃燒效率，附帶的缺點只有一個──額外要多負擔電池組的重量。

▲ 拉塞福引擎。（Source：維基百科）

火箭的第一段（升空用）用了 9 顆拉塞福引擎，第二段則用了一顆變體版拉塞福引擎（提升在真空中移動的能力），第一段合計可以產生 162 kN（千牛頓）的推力離地升空，最高峰可以產生 192 kN 的推力，單位推進率（Specific Impulse，ISP）方面有 303 秒（ISP 值越高，表示火箭的燃料利用效率越好）；第二段的引擎推力則是 22 kN，單位推進率 ISP 達 333 秒。

生產上，拉塞福引擎完全由 3D 列印製造而成，印一顆只需要 24 小時，比起傳統火箭引擎，製造時間與費用都大為降低，但有著很優異的性能。可靠性方面，在 1 月 31 日，拉塞福引擎達成了 500 次，累計共 19,000 秒的運行紀錄。

Electron 火箭的酬載倉也有特別設計，火箭尖端—酬載整流罩（Payload Fairing），設計是要能在太空把酬載從主體解體開來，而這些酬載是在發射站組裝到火箭上，這跟傳統火箭程序一樣。不過 Rocket Lab 設計出了酬載外掛模組（Plug-In Payload ），顧客可以帶回，選擇以自己的設施與人員來準備酬載，準備完密封好後再送回 Rocket Lab ，幾小時內就可以裝進 Electron 火箭。這個嶄新作法大為降低瀑布式作業流程延遲的風險，而且讓顧客可以自行準備酬載來待機。

▲ 酬載整流罩。（Source：Rocket Lab）

2018年1月21日Electron成功發射且順利進入太空軌道，這開啟了小型商業火箭發射的新紀元，未來小公司如果要開發手機 App 搭配太空中自己打造的小衛星作連線，應該也不是難事吧？除此之外，參加 Google 登月大賽的矽谷 Moon Express 團隊宣稱他們將在今年登月，而他們的夥伴就是 Rocket Lab，如果成真的話，那將達成另外一個新紀錄──登月計畫最小的火箭，我們就拭目以待吧。

▲ 「Its a Test」任務發射升空。（Source：Rocket Lab）