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2017/08/15

火星微電網

今天台灣大停電,那火星殖民地要怎麼確保電力穩定呢?



這個影片是 西門子 的「火星微電網」構想概念:

  • 不同發電方式的個別發電元件
  • 燃料電池電力儲存系統
  • 細分到各設施下的各別用電項目

將每一個「小單位」都連在即時管理的智慧電網下面,來進行電力分配調節,然後透過橫向擴增的方式,隨著殖民範圍的增加來逐步佈署到全火星。

簡單的說,就是透過分散系統架構來降低系統性風險!

畢竟火星離地球很遠很遠,集中架構的關鍵機組掛掉了... 得等很久才有的修,還是用分散架構安全點!


/UC0000

2017/08/06

Curiosity 好奇號火星五周年!

你也許還記得五年前,NASA 的 Curiosity 好奇號無人車登上火星,但是到底是怎麼達成的呢?



這支來自 NASA JPL 的影片混合了從遙測系統取得的實際飛行數據以及影像,配合 CG 重現台灣時間 2012 年 8 月 6 日中午 13:32 的降落實況。

小編稍微解釋一下裡面的程序:

  1. 拋棄 6 顆配重塊
  2. 降落傘張開
  3. 拋棄下方隔熱盾 (此時 MARDI 影像開始出現,拍攝下方狀態)
  4. 拋棄上方背蓋與降落傘
  5. 下降段的降落火箭點火,開始動力降落階段
  6. 降落火箭姿態修正來達成垂直下降
  7. 在 40 公尺高處 (下降速度每秒 10 公尺),好奇號無人車從下降段分離,以纜繩掛在下降段下
  8. 好奇號無人車著陸
  9. 好奇號無人車切斷纜繩,下降段飛離好奇號
  10. 完成!


好奇號無人車的質量為 899 公斤,是目前最重的火星無人車,NASA 在 2020 年預計發射的下一輛無人車將採用與好奇號相同降落方式與基本結構,在 2020 年暑假發射前往火星。

火星任務的發射窗口為兩年一次!NASA 在 2018 年的發射窗口則會發射 InSight 降落艇 (原本要在 2016 年發射,但是因為科學實驗設備的問題而被延後)。

你可以挑戰看看 NASA JPL 的另外一支影片來聽聽看任務時發生的通訊內容:




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2017/08/05

Mars 160 模擬任務

這是目前正在進行的 Mars 160 模擬任務,地點:加拿大努納福特,北緯 75 度高!

(Source: Mars Society)

由 Mars Society 火星學會 主持的 Mars 160 任務分成兩個部分,第一部份在美國猶他州沙漠中的 MDRS 火星沙漠研究站 進行,第二部分則是在加拿大努納福特的 FMARS 閃線火星極地研究站 進行,這是火星學會第一次以同一批組員進行兩個不同地點的研究任務。

在 MDRS 進行的第一部分是從 2016 年 9 月 25 日開始,為期 80 天
MDRS 的位置: https://goo.gl/maps/ted4VLTid582

在 FMARS 進行的第二部分是從 2017 年 7 月 20 日開始,為期也是 80 天
FMARS 的位置: https://goo.gl/maps/cGXkmazz6uz

組員在任務中模擬火星任務的作業項目 (地質研究、科學實驗),離開居住艙時必須穿著「模擬的」艙外活動裝 (太空衣)。

你可以在這裡看到每天更新的任務日誌:
http://fmars.marssociety.org/


/UC0000

2017/04/03

NASA 揭露 月球軌道前哨站 與 火星任務計畫

NASA 在 3 月 28 日的會議報告中揭露了 NASA 在 2018~2030 年間的有人太空探險計畫,先說結論:

計畫內容並不像是「以登陸火星為任務目標」的一份計畫,小編非常失望。

以下就是詳細的內容說明 (Source: NASA),文長請慢慢看:


// Phase 1 第 1 階段任務 //

(Source: NASA)

首先,NASA 的新火箭「太空發射系統」SLS Block1 將在 2018 年首飛、執行 EM-1 任務,EM-1 任務將為無人的測試飛行,Orion 太空艙將先前往月球,繞經月球後噴射加速進入離月球 70,000 公里高的軌道,然後減速降低軌道、繞經月球後返回地球,任務長度 26~40 天。

接下來 SLS Block1B Cargo 將載運「木衛二快艇」Europa Clipper 無人探測船 前往木星的二號衛星「歐羅巴」,這項任務預計將在 2022 年進行。

(Source: NASA)

然後 2023~2026 年間以每年 1 次的發射頻率開始建造「深太空閘口」Deep Space Gateway (DSG),在月球繞極軌道上建造人類首座月球軌道前哨站,任務順序分別為:

EM-2 (2023):SLS Block 1B 火箭載運 Orion 太空船 (4 名太空人)  以及 40kW 供電能力的「動力/推進模組」前往月球繞極軌道,任務長度 8~21 天。

EM-3 (2024):SLS Block 1B 火箭載運  Orion 太空船 (4 名太空人)  以及「居住艙模組」前往月球繞極軌道,與「動力/推進模組」組合,任務長度 16~26 天。

EM-4 (2025):SLS Block 1B 火箭載運  Orion 太空船 (4 名太空人)  以及補給物資前往月球繞極軌道組合,任務長度 26~42 天。

EM-5 (2026):SLS Block 1B 火箭載運  Orion 太空船 (4 名太空人)  以及「氣閘模組」前往月球繞極軌道組合,任務長度 26~42 天。

「深太空閘口」Deep Space Gateway (DSG) 到此建造完畢,第 1 階段完成。


// Phase 2 第 2 階段任務 //

(Source: NASA)

(Source: NASA)

EM-6 (2027):SLS Block 1B Cargo 火箭載運「 深太空運輸船」Deep Space Transport (DST) 前往「深太空閘口」(DSG) 所在的月球繞極軌道,會合對接。

EM-7 (2027):SLS Block 1B 火箭載運  Orion 太空船 (4 名太空人)  以及補給物資前往月球繞極軌道與 DSG+DST 會合,開始 DST 測試,任務長度 191~221 天。

EM-8 (2028):SLS Block 1B Cargo 火箭載運 DST 補給物資以及燃料前往月球繞極軌道與 DSG+DST 會合。

EM-9 (2029):SLS Block2 火箭載運  Orion 太空船 (4 名太空人)  以及補給物資前往月球繞極軌道與 DSG+DST 會合,然後「 深太空運輸船」(DST) 與「深太空閘口」(DSG) 分離,DST 不攜帶 Orion 太空船、在月球周邊進行測試任務,返回 DSG 後太空人再乘坐 Orion 太空船返回地球,任務長度 300~400 天。

「 深太空運輸船」Deep Space Transport (DST) 到此測試完成,第 2 階段完成。


// Phase 3 第 3 階段任務 //

EM-10 (2030+):SLS Block2 Cargo 火箭載運 DST 補給物資以及燃料前往月球繞極軌道與 DST 會合。

EM-11 (2030+):SLS Block2 火箭載運 Orion 太空船 (4 名太空人)  以及補給物資前往月球繞極軌道與 DST 會合,然後「 深太空運輸船」(DST) 出發前往火星進行飛越任務,不攜帶 Orion 太空船、不登陸火星,繞行火星後返回「深太空閘口」(DSG),然後太空人再乘坐 Orion 太空船返回地球,任務長度不明,但是應該接近或超過 400 天。


// Phase 4 第 4 階段任務 //

第 4 階段分成 a 與 b 兩個子階段,時程上與第 3 階段 (2030+) 重複,分別為:

Phase 4a:發展火星登陸技術並進行機器人遠距任務為登陸做準備。

Phase 4b:進行火星登陸


===== 我是分隔線 =====

這份計劃中可以看出 NASA 的火星任務著重在:

1. 先建立月球繞極軌道前哨站「深太空閘口」(DSG)
2. 「 深太空運輸船」(DST) 約 41 噸,以單次發射送上月球繞極軌道
3. 在月球繞極軌道進行補給後出發前往火星,DST 不攜帶 Orion 太空船
4. DST 完成火星飛越後必須返回月球繞極軌道與 DSG 對接,然後太空人轉乘 Orion 返回地球

「深太空閘口」(DSG) 是火星任務的出發點也是返回點,同時開放 DSG 給其他用途使用,NASA 的報告中甚至使用了 SpaceX Falcon9 火箭的圖像標示「月球軌道支援任務」。

「 深太空運輸船」(DST) 本身將使用電力推進 (EP) 作為主要動力,設計需求上必須能讓 4 名太空人執行 1,000 天的任務,同時可以重複使用,進行 3 次火星任務。


// 小編的意見

這份報告中並沒有說明登陸艇、火星表面的居住艙/種植艙/火箭燃料製造等真正「登陸火星」任務必須使用的設備,同時沒有提供「登陸火星」的時程,但是肯定是 2030 年以後的事情。

此外,小編並不能理解在為何 NASA 想要在月球軌道上建立另一座太空站,DSG 本身並無法降低火星任務所需要的 Delta-V (飛行變化量,太空飛行中這個數據代表「飛行耗能」多寡),使用月球繞極軌道會讓飛行軌道更加的複雜 (從黃道面軌道轉移到垂直的繞極軌道),不論用任何觀點來看,在地球低軌道上進行組裝、補給都比在月球繞極軌道上來的有道理。

也就是說,這計畫內容並不像是「以登陸火星為任務目標」的一份計畫,小編非常失望。

有興趣的人可以用這個傳送門觀看該次會議的報告內容:
https://www.nasa.gov/directorates/heo/nac-heoc


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2016/11/26

ExoMars EDM 墜毀原因初步調查出爐

ESA 歐洲太空總署 公布 ExoMars EDM 登陸艇墜毀在火星上的的初步調查結果:程式臭蟲的錯。

(Source: ESA)

在穿過熱區後,EDM 的降落傘在高度 12 公里處、速度每小時 1730 公里時彈出,前方隔熱盾則在高度 7.8 公里處脫離,這兩項降落程序均依照降落計畫進行 (降落計畫的預想為:11 公里高、1700 KPH 時開傘,前方隔熱盾 7 公里高處脫離)。

EDM 機上用來測量機體姿態的 IMU 慣性測量器 (內含 固態光纖陀螺儀 與 MEMS 微機械加速計) 在降落傘彈出不久後測得超過 1 秒的「不正常」超規資料。

在前方隔熱盾於 7 公里高處脫離後,都普勒雷達高度計開始動作、並開始對 GNC 導航控制系統輸入資料。GNC 導航控制系統在計算從 IMU 與 都普勒雷達高度計 輸入的資料後,做出了錯誤的高度判斷:高度小於 0 (負數)。EDM 因此進入了表面作業模式,降落傘與後蓋分離、制動火箭短暫噴射、啟動地面作業程序,但實際上 EDM 的高度仍為 3.7 公里高,自由落體的墜向火星表面。

ESA 的模擬機在輸入相同的 IMU 與 都普勒雷達高度計 資料後重現了相同的結果。

也就是說:GNC 導航控制系統的程式未能正確的辨識/處理 IMU 的「不正常」超規資料,程式臭蟲讓 EDM 墜毀在火星上。


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2016/11/12

ExoMars EDM 殘骸高解析度影像

ESA 的 ExoMars EDM 登陸艇在 10 月 20 日降落失敗,高速墜毀在火星上。

這兩張由 NASA 的 MRO 火星偵察軌道衛星 機上的 HiRISE 高解析度相機拍攝的照片,分別拍攝自 10 月 25 日與 11 月 1 日。

黑白的照片為 10 月 25 日拍攝,南方的殘骸為降落傘與後蓋,東北方的殘骸則為先前未找到的前隔熱盾,EDM 登陸艇撞擊處則留下了一個 2.4 公尺的撞擊坑,四散的殘骸分布在 15x40 公尺的範圍中。

(Source: NASA, ESA)

彩色的照片則為 11 月 1 日拍攝,以三色濾鏡拍攝後重建的彩色影像可以輕易地分辨了出焦黑的撞擊坑與四周的顏色差異;此外,降落傘的影像與先前拍攝的略有不同,目前研判為火星表面風吹導致降落傘改變形狀。

(Source: NASA, ESA)


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2016/10/22

ExoMars EDM 墜毀事故點初步影像

NASA 的 MRO 火星偵察軌道衛星 在 ESA 的 ExoMars EDM 登陸艇降落預定區 找到了疑似 EDM 的殘骸。

MRO 衛星的  CTX 低解析度相機拍攝的 6 公尺解析度影像 (每一個像素大小為 6x6 公尺) 上,南方的亮點推測為原定在 1.2 公里高脫離的 12 公尺降落傘與後蓋,北方 1 公里外的暗色 15x40 公尺痕跡則推測為 EDM 登陸艇撞擊火星表面留下的痕跡。

上方為降落預定區全景
左下方為同一地點在 20160529 拍攝的對照影像
右下角為 20161020 拍攝的新影像
(Source: NASA, ESA)

目前預測 EDM 登陸艇在降落傘過早脫離、降落火箭過早關閉後,自由下墜了 2-4 公里的高度,最後以時速 300 公里撞擊火星表面,未用完的火箭燃料可能在撞擊時引發爆炸,留下了 15x40 公尺的痕跡。

MRO 衛星將在下周使用 HiRISE 高解析度相機拍攝事故點。


/UC0000

2016/10/21

ExoMars EDM 高速墜毀在火星上?

根據 ESA 歐洲太空總署 ExoMars 任務 EDM 登陸艇在失聯前所傳回的資料,EDM 登陸艇極可能已經高速墜毀在火星上!

Schiaparelli EDM 登陸艇 原定計畫的降落方式 (Source: ESA)

根據目前解出的資料,EDM 登陸艇以隔熱盾正確的突入火星大氣,隨後降落傘也張開,但降落傘因不明原因被提早拋棄,而原定要噴射 30 秒的降落火箭只噴射了 3~4 秒,在火箭關機後 EDM 登陸艇仍舊發送了 19 秒的資料,然後在原定的降落時間前 50 秒失聯 (Source: ESA, BBC)。

這代表 EDM 登陸艇即可能在火星上空無控制的下墜了 1~2 公里的高度,最後以高速墜毀在火星上。

NASA 將使用他們在火星軌道上繞行的無人探測船搜尋 EDM 登陸艇的降落區,但發現直徑 2.4 公尺 EDM 登陸艇的機會不高。


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2016/10/20

ExoMars 無人探測船進入火星軌道、EDM 生死未卜

ESA 歐洲太空總署 的 ExoMars 無人探測船 在完成 139 分鐘的減速噴射後,已經順利進入火星軌道。

而 10 月 16 日從 ExoMars 無人探測船上分離的 Schiaparelli EDM 登陸艇 訊號中斷,目前無法確認 EDM 登陸艇是否降落在火星上。

(Source: ESA)

Schiaparelli EDM 登陸艇是 ESA 的首具火星登陸艇,重 577 公斤的 EDM 登陸艇在以隔熱盾突入火星大氣後以降落傘下降,並在高度 1,100 公尺處拋棄降落傘以火箭引擎下降,最後在高度 2 公尺處關閉火箭引擎「重降落」在火星表面上。

EDM 登陸艇主要為火星降落試驗用、並未裝置太陽能電池板,機載電池僅能提供幾天的觀測作業使用。


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2016/09/29

Elon Musk 演講投影片 (快速解說版)

以下為 SpaceX CEO Elon Mush 在 IAC 會議的演講投影片 (快速解說版)

完整演講影片傳送門:
https://www.youtube.com/watch?v=H7Uyfqi_TE8
(Source: SpaceX, Elon Musk)

歡迎轉載,但請標明出處

Elon Musk 上台

抵達火星軌道的想像圖

太陽系主要星體比例尺比較圖,地球為下方左邊第 3 顆

地球與火星的比較,大小約地球一半、自轉週期相近、陸地面積相近

現今的狀態:沒有人可以上火星

以傳統方式 (阿波羅計畫形式) 每一人上火星需要 100 億美金成本

要達成火星殖民,運輸成本需要降低到美國平均房價 (20 萬美金)

降低成本的方法:完全重複使用、軌道加油、在火星表面製造燃料、使用適合的燃料

完全重複使用對降低運輸成本極度重要

737 客機,單次使用票價高達 50 萬美金,完全重複使用僅需 43 美金 (洛杉磯到拉斯維加斯機票)

如果不使用軌道加油,需要使用 3 節式火箭,發射尺寸與成本增加 5~10 倍

如果太空船不返回地球,成本將增加 5 倍,而且火星環境非常適合製造燃料

使用 液態甲烷/液態氧氣 的原因:縮小載具尺寸、便宜、引擎容易重複使用、火星表面具備原料

SpaceX ITS 的運輸系統架構圖
1. 準備發射 / 2. 第 1 節火箭返回發射台 / 3. 軌道加油船對太空船加油
4. 太空船出發前往火星 / 5. 火星大氣突入 / 6. 在火星表面補充燃料 / 7. 太空船返回地球
第 1 節火箭重複使用 1,000 次、軌道加油船重複使用 100 次、太空船重複使用 12 次

ITS 與人的比例對照
全高 122 公尺、第 1 節火箭直徑 12 公尺、太空船最大直徑 17 公尺

ITS 結構圖,使用碳纖維製作主要結構、低溫高密度液態甲烷/液態氧氣、燃料/氧化劑自體加壓
燃料/氧化劑自體加壓 = 將部分 燃料/氧化劑 流過高熱的引擎,使用汽化後的壓力來對燃料槽/氧化劑槽加壓

ITS 與其他火箭的尺寸與 LEO 地球低軌道運輸能力比較 (單次使用、不回收)
Falcon9 = 22.8 噸 / Delta IV Heavy = 28.3噸 / Falcon9 Heavy = 54.4 噸
Saturn V (阿波羅計畫) = 135 噸 / ITS = 550 噸

ITS 與 Saturn V (阿波羅計畫) 的數據比較
發射重量 3.5 倍、發射時推力 3.6 倍、LEO 地球低軌道運輸能力 4.1 倍 (單次使用、不回收)

ITS 使用的 Raptor 火箭引擎數據
使用次低溫 液態甲烷/液態氧氣
Full-Flow Staged Combustion Cycle (FFSCC 全流量分級燃燒循環)
燃燒室壓力 300 巴 / 推力調整範圍 20% ~ 100%
海平面版本推力 3,050 千牛頓 (311 噸力) / 比衝 334s
真空版本推力 3,500 千牛頓 (357 噸力) / 比衝 382s

ITS 的第 1 節火箭數據
長度 77.5 公尺、直徑 12 公尺、淨重 275 噸、可攜帶燃料重 6,700 噸
使用 42 具 Raptor 火箭引擎
脫離時時速 8,650 公里 (比 Falcon9 的 6,600 KPH 略快,但低於 AtlasV 的 16,000 KPH)
約使用 7% 的燃料用於動力垂直降落

使用的 42 具 Raptor 火箭引擎中,只有最內圈 7 具的總成可以向量推力
其他的 35 具為固定安裝、無法向量推力

ITS 的太空船數據
全長 49.5 公尺、最大直徑 17 公尺
使用 3 具海平面版本 Raptor 引擎、6 具真空版本 Raptor 引擎
載人太空船淨重 150 噸、LEO 載運能力 300 噸
軌道加油船淨重 90 噸、LEO 載運能力 380 噸
前往火星載運能力:450 噸 (需使用軌道加油)

左側為 2020~2037 年間的火星發射窗口與航行需要時間
右側為 籌載重量/Delta-V 曲線圖

大氣突入能力
火星大氣可減速 秒速 8.5 公里、尖峰 G 值 4~6G
地球大氣可減速 秒速 12.5 公里、尖峰 G 值 2~3G

ITS 的載人太空船艙內設計

在火星表面製造燃料的化學公式
幾乎無盡的冰與二氧化碳,加上電力後可以合成 甲烷 與 氧氣

ITS 發射成本試算,在大量重複使用次數分攤後,每噸上火星成本低於 14 萬美金
第 1 節火箭重複使用 1,000 次、每次火星發射窗口使用 6 次
軌道加油船重複使用 100 次、每次火星發射窗口使用 5 次
太空船重複使用 12 次、每次火星發射窗口使用 1 次

火星探險的資金來源

SpaceX 2002 年成立時的全公司合照

SpaceX 從 2006 年到今日的里程碑

接下來的發展時程表
2018 年進行 Red Dragon 火星任務
2020 年 ITS 首飛、2023 年 ITS 飛火星

近程計畫:發射 Red Dragon 任務,載運 2~3 噸酬載前往火星 

Raptor 火箭引擎首次測試 (前置燃燒開始,燃燒室尚未點燃)

Raptor 火箭引擎首次測試 (燃燒室點燃)

ITS 的太空船的全碳纖維液態氧氣槽測試原型

全碳纖維液態氧氣槽測試原型內側照片

ITS 搭配前哨加油站,具備前往木星與其他太陽系目標的潛力


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2016/09/28

SpaceX ITS「星際運輸系統」構想影片


第 1 節火箭 使用 42 具 Raptor 液態甲烷/液態氧 火箭引擎
太空船 使用 9 具 Raptor 液態甲烷/液態氧 火箭引擎
太空船 進入停留軌道後由 軌道加油船 加油後出發前往火星
太空船 以機腹的隔熱盾突入火星大氣、動力垂直降落火星表面

(Source: SpaceX)

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2016/09/26

SpaceX Raptor 火箭引擎開始測試!

SpaceX CEO Elon Musk 在 Twitter 上公開了 SpaceX 的 液態甲烷/液態氧 火箭引擎 Raptor 首次點火測試的照片。

從照片上來看,首次點火測試應該沒有使用全尺寸噴嘴。

(Source: Elon Musk)

目前仍不清楚 Raptor 火箭引擎的各項數據,目前僅知它使用 液態甲烷/液態氧 作為 燃料/氧化劑,使用 Full-Flow Staged Combustion Cycle (FFSCC 全流量分級燃燒循環),將被使用在 SpaceX 的 MCT 「火星殖民運輸者」火箭上。

(Source: Elon Musk)

「FFSCC 全流量分級燃燒循環」翻譯成一般人類語言:

1. 使用兩組「前置燃燒器-渦輪-壓縮機」,燃料/氧化劑各使用一組,完全隔離 燃料/氧化劑,提高可靠性。

2. 所有的 燃料/氧化劑 都流過「前置燃燒器-渦輪-壓縮機」後才進入燃燒室燃燒,高流量讓「前置燃燒器-渦輪」的工作溫度較低,延長引擎壽命。

Raptor 火箭引擎是目前唯一使用「FFSCC 全流量分級燃燒循環」的火箭引擎。


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