【地科小擂台】進化的獵鷹九號

題目

回收第一節火箭雖然可以帶來顯著的成本效益,並大幅增加發射任務的頻率。但為了預留推進劑讓火箭降落,勢必得犧牲火箭的部分性能。所以有點資歷的太空迷可能記得,當要送去 GTO 的酬載質量超過約 6 公噸左右,獵鷹九號就常選擇不回收,以將所有推進劑都用於運送衛星。

但如果仔細去查,會發現今天清晨的發射的 SES-18、SES-19 兩顆同步衛星加起來質量超過 7 公噸,已經超出以前會拋棄第一節的門檻不少。那為什麼以前做不到的,現在卻可以了呢?

提示:答案有很多個,其中一個的線索就在圖上。



解答

昨天我們說,獵鷹九號似乎變得比以前更強了,居然可以把七公噸的衛星送進同步轉移軌道,事情真的是這樣嗎?

Well,是,也不是。

首先,獵鷹九號確實是有越變越強。2010 年首飛的時候,獵鷹九號的同步轉移軌道酬載只有少少的 3.4 公噸左右。但從 2013 到 2018,SpaceX 對獵鷹九號進行過一系列重大升級,包括拉高火箭高度、改變引擎配置、把推進劑冷到更低溫等等。這一系列改進大幅強化了獵鷹九號的運載能力。

但除此之外,如果我們仔細去看原圖中獵鷹九號第二節最終達到的高度(311 km)和速度(33518 km/h),然後計算此時的軌道半長軸($v^2 = GM(2/r - 1/a)$),會發現它的遠地點大概只有 12000 公里左右而已,遠不到傳統上同步轉移軌道(遠地點 35,786 km)的高度。這種軌道稱為「次同步轉移軌道 Sub-GTO」,顧名思義它還不到真正的 GTO,但也差不了太多。

選擇 Sub-GTO,代表這兩顆衛星需要比一般直接進入 GTO 的衛星耗費更多推進劑在變軌上。但相對的,讓火箭可以回收應當能拿到比較低的發射價格。如何選擇,就看各家衛星操作方如何取捨了。

順帶一題,如果去看真正的軌道數據,會發現我們算出來的半長軸還是比實際要短一些,這是為什麼呢?雖然沒有標準答案,但如果仔細觀察,會發現 SpaceX 直播畫面中的速度應當是與地面的相對速度,而不是計算軌道時應該使用的、與地心的相對速度。因此如果把地面速度這點也納入考慮,計算出來的軌到半長軸就會稍高於實際結果。因此我們可以合理推斷,這個差異主要來自坐標系的不同喔!

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