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李偉才《邁向未來的交通》 :由地上到太空,科學家怎樣設計「未來交通」?

無人駕駛時代加速來臨

過去數十年來,李偉來各項安全裝置皆因電腦化而效率大幅提升。才邁展望將來,交通家樣交通同樣基於電腦化的由地「智能化自動駕駛系統」,將是上到設計人類致力令交通更為安全的主要發展方向。

交通的太空「自動化/智能化」最早在航空界出現。由於長時間在空中駕駛十分沉悶,科學機師難以集中精神;而在半空中遇到障礙物的未來機會亦十分微,所以早於20世紀初,李偉來便有人設計了基於指南針和陀螺轉動(gyroscopic motion)原理的才邁自動導向和駕駛系統。隨著民航事業的交通家樣交通發達,遠程的由地大型飛機大多裝有這種「自動輔助駕駛系統」(autopilot)。1947年,上到設計美國空軍一架運輸機便利用這個系統跨越大西洋,太空其間完全不經人手(包括起飛和降落)。科學

明明沒人駕駛但可以自動把乘客送往任何目的地的汽車,很早便在科幻小說和電影中出現。然而,相比起飛行時的海闊天空,地面交通情況既擠擁又瞬息萬變,無人駕駛可謂談何容易。

不過,過去十多年來,隨著人工智能(artificial intelligence,簡稱AI)急速發展,以及衛星導航系統日益普及,各國的科學家和企業家都努力將這個夢想轉變為事實,其中一些產品已經進入試驗階段。但至本書執筆時,仍未有一個國家正式批准這些產品在道路上行走。

有關自動駕駛系統的設計,初期有兩種不同的構想:第一種是載具(汽車、運載囊)本身沒有智能兼且完全被動,而協調交通的,是電子道路和背後的城市電腦中心(可簡稱為「智能道路系統」);第二種是載具本身擁有高度智能並且會不停彼此溝通,以達至最暢順的交通狀況。今天,發展方向較為傾向後者即「無人駕駛汽車」(driverless car,又稱 autonomous vehicle 或是robo-car)。但兩種設計其實並不排斥,而是相輔相成的。

智能汽車可以安全地左穿右插,靠的主要是三種技術:雷達測距、光達(lidar,是light detection and ranging的縮寫)測距,以及透過攝影機監測結合人工智慧分析的判斷。光達的原理與雷達和聲納一樣,只是用的是激光而非無線電波。它的精準度比雷達高,卻也更昂貴。

AP_21284540558358Photo Credit: AP / 達志影像

環遊世界的時間

隨著科技發達,這個時間還可以縮短嗎?這兒我們必須懂一點天體力學。原來一個物體(如太空船)環繞一個天體(如地球)運行的周期,與它跟天體的距離成正比(嚴格來說是周期的平方與軌道半徑的3次方成正比)。也就是說,距離愈短則周期愈短。例如月球離地球38萬餘公里,環繞地球一周需時27.3日;國際太空站離地面408公里,環繞地球一周只需時93分鐘左右。

19世紀一本著名的小說名叫《八十日環遊世界》,今天人類1個半小時便可環繞地球。

如此看來,我們最終可否把飛機環繞地球的飛行時間縮減至只有10多分鐘?答案是不可能。原因是(1)408公里只是很短的距離,即使減至零也不會令約90分鐘的周期減去多少;以及更重要的(2)國際太空站身處沒有空氣的太空,若在接近地面的大氣層之內,如此高速會遇到極大的空氣阻力,激烈的摩擦會產生高溫令機身融化。

要避免空氣的阻力,科學家提出了「太空飛機」(spaceplane)的構想,那便是飛機升空後會有部分時間進入大氣層頂部的太空,待接近目的地時才返回大氣層然後降落。一些尖端科技企業已經對外宣傳,會在本世紀中之前實現將乘客於一小時內送往世界上任何地方的「一小時生活圈」超級航空服務。

這項服務若能實現(當然會非常昂貴),乘客還可於中途的「亞軌道飛行階段」(sub-orbital flight)享受處身太空的滋味呢。

不用說,這構想對飛機的推進能力有極高要求,也極其費耗燃料和造成巨大污染,是以迄今為止,有關設計仍在論證階段。

最後要一提的是,人類的飛行壯舉已經在地球以外的天體上實現。大家可能知道,月球上早已出現過有人駕駛的月球車(Moon rovers),而火星上則有無人駕駛的火星車(Mars rovers),但另一個重大突破卻要到21世紀第三個十年才出現,那便是在2021年4月19日在火星表面起飛的火星直升機「機智號」(Ingenuity)。須知火星的大氣層非常稀薄,表面的大氣壓力只有地球的1%左右。要在如此稀薄的空氣中升空實在談何容易。「機智號」除了機身特輕外,螺旋槳的轉速達每分鐘2,500轉以上。它第一次在火星表面試飛雖然只是維持了短短39秒,但其意義的重大,可以跟1903年萊特兄弟的飛行相提並論。

shutterstock_1347736721Photo Credit: Shutterstock / 達志影像

「妙想」把「天開」的未來想像

在探索宇宙的道路上,光速的極限令任何「星球大戰」和「銀河帝國」的想像成為空中樓閣。人類有沒有辦法透過好像科幻小說描述的「時空摺曲」(spacetime warp)或相對論所預言的「蟲洞」(wormhole)以實現「超光速」星際旅行?甚至好像日本漫畫《多啦A夢》中的「隨意門」以徹底打破距離的阻隔?這是「未來的交通」中一個最大的未知之數。由於篇幅關係,這些有趣的題目只能留待大家自行探討。在此,讓筆者與大家分享一個既「貼地」又「離地」的大膽構想作結。

如果我跟大家說,我們將有一天可以乘坐升降機上太空,你是否以為我在開玩笑呢?


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