●航天器的速度是音速的 22 倍多。圖為不同型號的長征火箭模型。 作者供圖
●飛機的最快速度大約是音速的 3倍多。圖為ARJ21支線飛機。 資料圖片

【編者按】當你仰望星空,可曾幻想自己駕駛火箭穿梭在銀河間?浩瀚的宇宙有許多未知的奥秘等待探索,空間技術深刻改變了人類對宇宙的認知,為人類社會進步提供了重要動力。香港教育界近年來聚焦於航天科技,希望能從小提升學生對國家航天事業的了解,培養他們對國家創科事業的自豪感。 本專欄將會從基礎的知識與概念入手,為同學們解答有關航天知識的疑惑,為夢想的火箭打造堅實的「發射台」。

我們古代先賢,對「天」真是又敬又畏,而且亦充滿好奇心。屈原在《天問》就有以下這句:「圜則九重,孰營度之?」在這句話中,屈原提及了古代傳說中的九重天,九重天就是我們口語中的九霄,唐代韓愈在《左遷至藍關示侄孫湘》中有一句:「一封朝奏九重天,夕貶潮陽路八千。」可見九重天的概念一直深入民間。再回顧屈原的發問:「圜則九重,孰營度之?」又有誰量度過天呢?那麼,我們是否可以量度到「天有多高」,又是否可以翱翔天際呢?

今日,我們科普的知識豐富了,原來想知道「天有多高」,我們可以由「天空」和「太空」這兩個概念找到答案。天空這個名詞比較抽象,意思是指日月星辰羅列的廣闊空間,因此我們有「天際空闊」「海闊從魚躍,天空任鳥飛」等相關的表達。

相對之下,「太空」這個名詞就解釋得比較科學化了。國際航空聯合會將距離地球海平面一百千米以上的高度空間稱為「太空」。科學家稱「太空」就是繼陸地、海洋、大氣層之外,人類開發的第四生存空間。所以,「天有多高」,就有科學化的答案了。

「航空」大抵是指距離地球海平面一百千米以下飛行,不過,我們平常乘坐的客機飛行高度只是在6,800米至8,000米之間,就是在對流層和平流層的交界處附近。

科學家把大氣層一共分為五層:

對流層:大約為地面至10 千米;

平流層:大約在 10千米至50 千米左右;

中間層:大約在 50千米至80 千米左右;

熱層:大約在 80千米至800 千米左右;

散逸層:大約在 800千米至2,000千米或者 3,000 千米左右。

能留在空中不掉下來,主要靠的是空氣的升力,當越過大氣層,即是越過「卡門線」、抵達太空時,大氣便會因太過稀薄難以產生足夠支持航空飛行的升力。

在航天科學理論上,為什麼大氣層與太空的分界線稱為卡門線呢?

飛出卡門線 最緊要夠快

卡門線得名自匈牙利裔美國著名航空航太學家希歐多爾·馮·卡門。他計算出,在距離地球海平面一百千米的高度,飛機無法進行正常的航空飛行,原因如我們之前所說,是因大氣稀薄,沒有足夠的升力支撐。

在卡門線以上飛行,飛行器自身的速度必須比軌道速度快很多,才能夠獲得足夠的升力來支撐自身重量。那麼究竟要多快?飛機的最快速度大約是音速的3倍多,而航天器的速度則是音速的 22 倍多。那麼,航空、航天的概念,就不會混淆了!

●梁偉傑 (愛國教育支援中心專業發展總監,兩次行政長官卓越教學獎得主)

愛國教育支援中心由香港教聯會主辦,旨在加強支援教育界推動國家安全及國民教育。中心今年特別成立航天科普教育基地,設有多個不同學習區,全面展示國家航天科技所取得的突破和成就,增強香港青少年對國家航天科技的認識。