隼鳥2號全貌 兩個紅色圓形覆蓋物為恆星追蹤器 MASCOT著陸機拍攝的龍宮小行星表面照 2010年6月隼鳥1號 把糸川 (Itokawa)小行星表面的樣本帶回地球完成了空前的 創舉，JAXA藉此熱潮推出後繼機---隼鳥2號；隼鳥2號任務除了提高小行星探測的可靠性，也將挑戰製造人工洞坑、在外太空高速通信和採用新觀測儀器等新技術。其中 在小行星上製造一個人工洞坑，把不受到宇宙射線及太陽光影響 的內部樣本帶回地球是本次任務最大的目標。探查機 計畫投下一個直徑與高度都是30公分左右的圓筒型碰撞裝置，內部裝有炸藥與2公斤重的銅板。 藉由炸藥爆炸威力把銅板撞入小行星(地球上的測試是把銅板提升到每秒2公里飛行速度)，以人工方式製造出一個坑洞。 投下碰撞裝置過程，隼鳥2號在水平方向自旋以維持姿態，再緩緩下降。投下碰撞裝置後，隼鳥2號主體 要立刻飛到小行星背面躲避因碰撞裝置爆炸而飛散的碎片及小行星表面飛出的物質。 避難完後，隼鳥2號降落在坑洞內部進行樣本採集。
與隼鳥1號 的S型糸川 小行星(含有大量矽的岩石質)不同，這次隼鳥2號的目標小行星是C型小行星1999JU3(含有大量有機物與含水礦物) 目的地停留期間是一年半比隼鳥1號的2.5個月長。 姿態控制裝置將由隼鳥1號的三軸控制改成四軸控制以更穩定姿態挑戰觸地任務，拋物面高利得天線將改成兩個平面高利得天線。隼鳥2號的兩個圓形高利得天線用於傳送大量的資料，此外還配備了一個中利得天線和一個低利得天線。高利得天線直徑為90公分為用於家庭標準CS拋物面天線直徑的兩倍。隼鳥2號裝備的兩個高利得天線，使用不同無線電波分別是X頻和Ka頻。X頻的頻率約8千兆赫，而Ka頻約32千兆赫，在相同時間 Ka頻的資料傳輸量將是X頻的四倍。因此隼鳥2號到達小行星進行觀測後大量的數據資料將使用Ka頻天線傳回地球。歸功於平面設計，性能相同下其重量只有拋物面天線的四分之一，更輕的天線對於太空探索是更有利的，另外比起拋物面天線也不容易發生過熱情形。
朝太陽系天體 進行往返航行時如果探查機的主引擎使用化學推進劑就需要龐大的燃料量，這會使得探查機的發射重量大增，例如2011年發射的俄羅斯火星衛星探查機Fobos-Grunt其燃料占總重比例達8成、預計2016年發射的美國小行星探查機OSIRIS-REx 燃料占總重比例約7成 。 在這種情況下需要發射能力更尖端的太空火箭來進行發射任務，除此之外就只能使用所需消耗燃料非常少的離子引擎。雖然離子引擎推力遠不如化學引擎但透過長時間噴射運作可以得到所需要的加速量，特別是在行星際空間的飛行效率相當高。隼鳥2號約搭載60公斤的氙氣燃料相對於探查機的全部重量約占一成而已，因此隼鳥2號的主引擎依舊是4具離子電漿火箭(提升推進力與耐久性)。 探查機也都攜帶一種稱為米內華小型探測機器(MINERVA-II小行星車)、熱紅外線相機(成像器)、近紅外線光譜儀(分光計)、可見光攝影機與雷射高度計。隼鳥1號使用的運載火箭是已退役的M-V固態火箭(脫離地球重力圈的能力是0.5噸) 而隼鳥2號則要使用H2A火箭發射升空。H2A202脫離地球重力圈的能力是2.5噸到3噸之間，這個改變可使隼鳥2號在重量比1號增加許多。因此美國與德國也提出如果重量還有餘裕，希望能夠搭載他們的機器一同前往。最後決定的是德國著陸機的提案，稱為MASCOT的著陸機由德國航空宇宙中心(DLR)與法國國立宇宙研究中心(CNES)共同開發，可在小行星表面移動。 除了偵測儀器、碰撞裝置、MASCOT著陸機與米內華小行星車，隼鳥2號還攜帶5個"目標標記機"(target-marker；用來導引探查機著陸與採集樣本) 。由於小行星引力極為微弱，著陸機或小行星車使用輪胎驅動或爬行方式將會飄起來，MASCOT與米內華將以彈跳方式在小行星表面上移動，米內華跳動一次需花費15分鐘但可以水平移動15公尺。 隼鳥2號在2011年展開探查機設計製作，2013年完成探查機開始試驗，在2014年年底發射、2018年抵達小行星、2019年從小行星出發 2020年返回地球。與運載火箭分離後隼鳥2號將先在一個類似地球繞行太陽的公轉軌道上飛行，約一年之後回到地球附近執行"引力協拋"。所以實際上隼鳥2號從地球到小行星的時間是大約兩年半而不是三年半。使用地球重力助推 主要是考量節省燃料，如果只用離子引擎的力量要讓隼鳥2號飛向"龍宮小行星"1999 JU3，引擎需要持續一年左右時間全力噴射加速，這樣一來勢必還需要40公斤的氙氣燃料，於是採取利用天體重力的省能源航行法。 引力協拋也就是過境變軌，在助推方法中有讓探查機加速的"加速變軌"也有讓探查機減速的"減速變軌"。加速變軌是讓探查機從要利用重力的天體公轉方向後方繞過；而減速則是需要從前方繞過。隼鳥2號在地球重力助推後相對於太陽其速度提升了每秒1.6公里，日本在1990年發射的月球工程實驗機飛天號(Hiten)首次嘗試進行月球引力協拋且總共實施10次，在此之後磁圈探測衛星Geotail、火星探查機Nozomi以及第一代隼鳥號都有使用到這種方法。隼鳥2號在進行引力協拋前有執行過微幅的軌道修正，然而要修正軌道首先必須要能夠很精準地知道探查機的位置與速度。以往採用「range-Doppler method」，這種無線電波觀測法雖然可以正確地求得探查機的"徑向速度"(radial velocity；從觀測者見到的視線方向速度分量)但卻很難正確地得到與其垂直相交的天球上位置(赤經與赤緯)和速度。因此這次為了更精確地獲得探查機在天球上的位置及速度採用了「Delta-Differential One-Way Ranging(Delta-DOR)」，Delta-DOR利用數個地面天線交互觀測探查機並以存在於宇宙邊緣既明亮又會發出無線電波的類星體(quasar)為基準來求得探查機在天球上的位置，天線間的距離(基線長度;baseline length)越長精確度就越高。其定位精準度相當於能分辨100公里外0.3毫米大小物體的解析度；而速度的測量精準度則是可對在太陽系內以每秒約30公里速度飛行的探查機以毫米/秒以下來測量。而在執行引力協拋之前隼鳥2號將透過試運轉檢查離子引擎與探查機上的儀器。出發前往小行星的行程需要兩年半，而返回地球卻只需一年，這種差異是基於考慮到達小行星所要求的速度。當隼鳥2號接近"龍宮小行星"時，探查機必須降低速度使其跟小行星飛行速度一樣以進行“會合飛航(rendezvous navigation)"。而使用離子引擎的隼鳥2號短時間內無法改變速度和軌道，因此需要一些時間來控制太空船速度。著陸採集樣本方面，第一次觸地先採集表面樣本 第二次觸地則採集炸開的坑洞內部樣本。2019年底隼鳥2號從小行星出發，返回時飛越地球釋放攜帶樣本的膠囊後再飛回外太空，因此不必降低速度以配合地球的速度。任務最後則是前往地球與太陽重力取得平衡的Lagrangian point。
隼鳥2號將是首個以炸藥在天體製造坑洞的探查機
隼鳥2爆擊龍宮小行星影像
下圖圓盤狀物體為樣本返回膠囊，底下柱狀物為小行星岩石塵土收集器，左邊銀色長方形物體為 近紅外線光譜儀，右下黑色物體為雷射高度計 。
隼鳥2號的4具離子引擎(電漿火箭)，比起1號的引擎推力提25%。照片兩側的甜筒狀形物體為姿態調整引擎，隼鳥2號共有12具。
米內華 小型探測機器是一種跳躍移動型小行星車，由於 小行星的引力很微弱如果使用輪胎驅動或爬行的方式在移動時將往上飄浮 ， 因而只能採用跳躍方式 ，這次隼鳥2號總共攜帶三個小行星車 。
米內華小行星車內部有兩具馬達一個控制跳躍另一個控制方向。
當隼鳥2號釋放 碰撞裝置而須躲避爆炸波與飛散碎片 時，DCAM3(可分離攝影機)將在現場拍攝爆炸與撞擊照片。
DLR與CNES所開發 MASCOT
MASCOT是一種可移動的著陸機，下面影片介紹MASCOT如何在小行星表面上移動。
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H3-24的月球轉移軌道(LTO)發射能力超過6公噸，預計之後將運送印度著陸機與日本月球車前往月球(相較於質子號K的5.4公噸LTO發射能力)。
日本政府在2014年財政年度開始開發次世代發射載具---H3太空火箭，並計畫在2020年度進行首次發射。JAXA與三菱重工以日本國內發射需求和預測 國際衛星發射市場數據來 設計開發H3火箭。在不考慮整流罩形態下設計出四種機體型態，分別是H3-30、H3-22、H3-32與H3-24。發射載具為 兩級段液態氫/液態氧推進劑火箭，並可選擇增加固態助推火箭來提升發射能力，火箭最大高度63公尺、第一段與第二段直徑為5.2公尺、助推段火箭直徑2.5公尺長度14.6公尺 ，相較於H-IIB火箭 其第一段長度較長而第二段則較短，總長度增加6公尺 。第一段可選擇叢集二具或三具新開發的LE-9，LE-9採用 無副燃燒室簡化構造的設計來降低製造成本但透過燃燒室大型化 來提升性能，相較於LE-7A 推力提升40公噸、真空比衝降低但海面上比衝增加，其150公噸真空推力超過Snecma的Vulcain2.1與CNSA的YF100。第二段採用一具LE-5B-3，該引擎為H-IIA/B的LE-5B-2改良型，真空比衝提高1.2秒使GTO發射能力增加約40公斤、 燃燒時間增加至740秒與降低製造成本 。並依任務需求選擇綑綁二具或四具固態推進劑助推火箭SRB-3，SRB-3 發展自H-IIA/B的SRB-A但推力與比衝有所提升，為了簡化分離結構， 把"推力負荷支撐架"(thrust load strut)/"分離馬達"( separation motor) 改成"分離側推裝置"(separation thruster)；並取消推力向量控制把噴嘴從可動式改成固定式來降低成本， SRB-3由IHI製造。整流罩跟機體直徑都是5.2公尺但長度不同分為短版本S與長版本L兩種，S的長度是8.3公尺、L的長度達16.4公尺。
H3-30是機體型態的基本型不含任何助推段火箭，沒包含酬載的總重約270公噸，第一段火箭叢集三具LE-9，在地面上推力可達373公噸，推力與總比衝都超過Delta IV第一段、接近Atlas V第一段但燃燒更有效率，可運載 13公噸酬載到傾斜角度30度的低地球軌道或5公噸酬載到靜止轉移軌道上，發射能力跟Zenit3與長征7火箭相當 ；2018年年底 因為H3-22的發射能力優於預期加上商業衛星公司偏愛便宜發射成本甚於火箭性能，JAXA因而取消掉發射能力高但費用較昂貴的H3-32。H3-24L則是綑綁四具SRB-3固態火箭但第一段只使用二具LE-9(使用三具LE-9發射能力跟使用二具差異很小)，沒包含酬載的總重約574公噸， 其發射能力為long-coast GTO(ΔV=1500m/s )近7公噸，第二段火箭可長時間飛抵高度3.6萬公里軌道上點火再釋放衛星，發射能力超過質子號M與Falcon9 V1.2不回收重複使用型，若是發射酬載到30度傾角， GTO與LEO發射能力約為10公噸與24公噸。
叢集數具LE-9引擎在單段火箭上其實跟RD-170/180有異曲同工之處， 前蘇聯在開發大推力火箭引擎時面臨到燃燒不穩定問題，解決對策是共用副燃燒室與 單一渦輪、渦輪泵， 叢集數具較小型的噴嘴燃燒室。LE-9是從擴張排放循環(expander bleed cycle)引擎LE-5B發展而來，該種循環引擎並無副燃燒室構造簡單，具有不太可能處於異常 燃燒的特徵，相較於有副燃燒室引擎更適合叢集多具來達成所需的推力。
當初H3火箭曾考慮在第二段機體使用推力與比衝更高的MB-60引擎或是叢集二具LE-5B-3，如此發射能力會更高，相信在H3火箭運作成熟後會開發第二段新機體。由於H3在不使用固態助推火箭下只依靠第一段引擎推力就能起飛，可增強成Delta IV Heavy型態也就是把第一段機體當成助推段火箭使用，綑綁兩具液態助推火箭LRB；在地面起飛時使用8或9具LE-9引擎，推力分別為996公噸與1120公噸； 在沿用一具LE-5B-3不考慮增強第二段火箭下，低地球軌道發射能力約30公噸。 或者改成"安加拉5"或"長征五型"使用四具LRB，起飛推力達到1800公噸左右，若加上新的第二段火箭其發射能力甚至超越LEO 64公噸的Falcon9 Heavy，這才是LE-9提升日本火箭發射能力的真正潛力。在2020年代人類要建立地球月球間的繞月太空站或月球表面基地時，日本將會需要綑綁大型LRB的H3。
在1990年代開發H-IIA火箭時日本的太空機構就曾計畫H-IIA Heavy，在沿用H-IIA機體下， 綑綁一具LRB二具SRB-A的H-IIA-212與綑綁二具LRB二具SRB-A的 H-IIA-222，每具LRB叢集二具LE-7A，前者是非對稱型火箭很難控制而開發中止；後者發射能力超過H-IIB跟H3-24相當，但使用了五具製造成本高昂的LE-7A發射費用將所費不貲加上當時H-II發射失敗為了追求可靠性 ，只好選擇與集中開發資源在增加第一段機體直徑的H-IIB上。
在2019年度國際太空會議上MHI公布了進行月球任務的H3發展型火箭，從2020年代中期開始H3變種型將被用來發射HTV-X貨運太空船前往"月球軌道平台門戶"(LOP-G)也就是月球太空站。第一步使用兩具H3-24，第一具發射HTV-X至繞地軌道，第二具發射有大型燃料槽的上面級前往對接，再把HTV-X推往"月球太空站。第二步是使用綑綁兩個第一級火箭當助推段的H3 Heavy把HTV-X送往LTO。第三步是發展第二段火箭與著陸載具整合系統並用來發射月球太空站艙室與月面居住艙。H3 Heavy的發射能力為LTO約12公噸、GTO約15公噸(可能是ΔV=1500m/s)、傾角51度LEO約28公噸(參考Delta IV Heavy為LTO 10公噸、GTO 14.2公噸、傾角51度LEO約26公噸/傾角28度LEO約29公噸)。除了第二段火箭增加對接裝置與使用LRB當助推段外並沒有出現第二段火箭叢集數具新引擎讓發射能力提高的訊息。
H3火箭採用較低成本引擎、有效率的發射處理技術並簡化發射場設施，計劃要求H3-30的發射成本降低至50億日幣，H3-24則降低至70億日幣。
叢集兩具LE-9進行BFT，廢除H3-32型號後，綑綁助推火箭的H3第一段叢集兩具LE-9，真空中300公噸推力(海面上250公噸推力)，燃燒時間五分鐘以上。
叢集三具LE-9進行BFT影片，右邊那具LE-9是採用3D列印生產的形態二型(考量降低成本)，可看出噴嘴裙肋較少；燃燒試驗有以下幾個項目100%推力、推力向量控制、以66%推力節流噴射，最後測試某具引擎過早停止所產生影響等， H3第一段推力在 真空中達450公噸(海面上373公噸) 超過M-V固態火箭的M-14 是日本最大起飛推力單段火箭 。
VIDEO
下圖是2015年的版本 包括各級引擎型號皆已確定，火箭第一段與第二段直徑皆為5.2公尺比H2B大不少。第二段引擎是目前LE-5B-2的改良型稱為LE-5B-3，因應第二段火箭直徑增加為5.2公尺燃燒時間從534秒增加到740秒。第一段引擎是開發多年的LE-9，
火箭可以選擇叢集2具或3具LE-9。助推火箭是目前H2A/B的SRB-A改良型真空中最大推力220公噸 ，H3可選擇不使用助推、綑綁2具或4具SRB-3。
下圖是預計在2020年進行首次發射的太空火箭，H3與亞利安6相比第一段火箭規模較大(綠色框形標示處)，H3第一級段是其最強力部分其規模超越Delta IV是亞洲最大第一級火箭，燃燒時間超過300秒。而固態助推僅稍微改良H-IIA/B的SRB-A，相較於其他新興火箭對於貢獻發射能力已不顯著,令人期待將來綑綁兩具或四具第一段當助推火箭的H3 Heavy。但即使是H3-24其發射能力仍然可以跟質子號抗衡。
Diagram shows 66 solid rocket motors all over the world. Japan previously developed solid rocket morors will be used as H3 booster rocket.
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無線電波望遠鏡是指用來接收宇宙中天體(恆星、星系與黑洞等)發出的無線電波之天線與接收機，也可用來追蹤、通訊太空中的探查機衛星。無線電波望遠鏡通常以金屬碟盤或網格構成大型拋物面圓盤，與觀測其他電磁波譜望遠鏡外觀上有很大不同。這種望遠鏡觀察最長波長的光，範圍從1毫米到超過10公尺，相較之下可見光波長只有幾百奈米長，一奈米僅為一張紙厚度的1/10000。一般而言望遠鏡之反射鏡表面必須非常光滑，凹凸程度需控制在電磁波波長的十分之一左右，這意味著觀測最長波長的無線電波望遠鏡越容易把反射鏡建造得巨大(1960年代啟用的無線電波望遠鏡直徑就已達到305公尺而2016年最大可見光望遠鏡直徑才10.4公尺) 。無線電波望遠鏡因為是觀測波長最長的光所以其圖像解析度很低，為了提高解析度與收集足夠的低能量無線電波光子，拋物面圓盤反射鏡(天線)必須很大。無線電波望遠鏡可以單座天線使用也可以連線多座天線形成陣列使用，日本 與俄羅斯 曾經發射無線電波衛星到太空中跟地面天線連線使用。不像光學望遠鏡只能在晚上觀測，無線電波望遠鏡在白天與夜間都可觀測。由於天文電波源例如恆星、星雲和星系都很遙遠，從這些天體發出的無線電波是非常微弱的，所以研究他們需要非常大的天線與極為敏銳的接收設備。來自宇宙的無線電波最早由貝爾電話實驗室的工程師Karl Guthe Jansky以研究雜訊的無線電波接收器(天線)偵測到，五年後的1937年業餘無線電愛好者格Grote Reber建造了第一座專用無線電波望遠鏡，該望遠鏡是直徑9公尺的拋物面天線，他使用該座天線進行的宇宙調查被認為是無線電波天文學領域的開端。當今世界最大可動式無線電波拋物面圓盤是格林班克望遠鏡(Green Bank Telescope)，直徑100公尺可完全轉向。這是在安全且準確操作可動式無線電波圓盤的標準下所能達到最大尺寸。位於波多黎各的Arecibo無線電波天線直徑305公尺在1960年代開始使用， 其拋物面圓盤 不能轉向 ，但可以移動接收器來指向目標，其拋物面圓盤由島上喀斯特地形凹陷地所支撐。預計2016年9月開始使用的中國FAST(又名天眼) 宣稱直徑500公尺(有的資料指出其有效直徑為300公尺)，但跟Arecibo一樣天線無法轉動，只能觀測剛好從上方飛過的天體 。 太空望遠鏡分辨太空中物體能力稱為角解析度，為觀測的波長除以天線直徑大小，該計算數值越小得到的宇宙天體圖像越精細。無線電波望遠鏡觀察很長的波長，所以即使最短的無線電波波長除以最大的天線，所得的圖像角解析度只等同於人類以肉眼觀測天空的角解析度。為了使其角解析度達到光學望遠鏡等級， 數學破解了這個難題:集合多座天線同時觀測天體以獲得單個巨大口徑無線電波望遠鏡同樣的解析度 。這個方法由 諾貝爾物理學獎得主馬丁·賴爾(Martin Ryle)所提出。 小比爾 發表在 痞客邦 留言 (0) 人氣(640 )
美國歷代
火星探測車 好奇號(右)與精神號(左上)、旅居者號(左下)
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宇宙中有各種不同溫度的天體，其中超過100萬~10億度的極高溫天體例如爆炸的恆星、星系團與黑洞周圍的物質等會放射出具有高能量的電磁波X射線。藉由觀測X射線能夠看到可見光所無法觀測到的超高溫宇宙。美國NASA的錢卓拉太空望遠鏡的特色是能夠分辨細點的高空間解析能力能夠拍攝到極為鮮明的圖像。由麻賽諸賽州劍橋的"史密森恩
天體物理 天文台"(Smithsonian's Astrophysical Observatory)操作管理錢卓拉太空望遠鏡，處理資料並且分配給世界各地的科學家進行分析。
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1655年23歲的牛頓創造出改變科學歷史、革命性的數學手法---微積分(Calculus)，在今天微積分普遍運用於人造衛星的軌道、建築物的強度、經濟狀況的變化等廣範圍的計算。既使說微積分撐起現代的文明社會應該也不為過。16~17世紀的歐洲國家為了爭奪歐洲霸權各地烽火連天，在戰爭中要求具有強大威力的大砲一定要正確命中目標因此研究砲彈軌跡的「彈道學」一時之間大為興盛。砲彈的飛行軌跡是曲線但很長的一段時間人們無法正確計算出砲彈的飛行軌跡會是什麼樣的形狀。
進入17世紀微積分發展所不可或缺的工具出現了，這就是法國數學家笛卡兒和費馬創造出"座標"(coordinate)，座標是指平面上的某一點可以用與原點相距的「縱」和「橫」的距離來表示者。使用座標直線與曲線皆可以x和Y的式子來表示。砲彈飛行問題原點設為發射砲彈地點，x軸為從發射地點算起的水平方向距離，Y軸為砲彈飛行高度，則發射出之砲彈所畫出的拋物線也可用x和Y的式子來表現。求出砲彈飛行過程中不斷變化中的行進方向必須要有計算變化的新數學，這個新數學就是「微分法」，有這有力的工具不論什麼曲線(函數)皆可畫出切線(導函數；將函數微分)。牛頓之前計算不規則土地面積時採用方式是切割成細長方形，切份之後再加總就是積分但這種計算繁雜誤差也大，1665年牛頓發現到積分是微分的逆運算，一舉解決了積分計算的繁雜性。
微積分創始者牛頓在20幾歲時在數學、物理學與光學等領域完成了革命性的工作。 小比爾 發表在 痞客邦 留言 (0) 人氣(335 )
