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科技日报:人类新一轮探月高潮的前奏


http://www.sina.com.cn 2006年09月04日 17:37 科技日报

  每年,都有数十颗卫星和航天器升空,它们充当着科学家的眼睛,拓展了人类的视野,带领我们探索宇宙的无穷奥秘。航天器的足迹越来越远,望远镜的成像越来越清晰,这些使得我们对宇宙的了解越来越多。然而在观测的范围越来越大的同时,回过头来,我们却会发现:其实对我们最近的邻居———月球的了解也并不充分。1972年12月19日,随着“阿波罗17”号飞船完成最后一次登月,溅落太平洋,人类探测月球的第一次高潮宣告结束,在此后的30多年时间里,人类再没有派宇航员登月,与月球有关的新闻也鲜有人关注。

  今天,“智能1号(SMART-1)”和月球的这次亲密接触可谓掀起了探测月球的第二次高潮。在“智能1号”之后,欧洲还计划让宇航员登陆月球并分阶段建立月球基地。同时,美国、中国、俄罗斯、印度和日本等近年也都提出了自己的探月计划。

  “智能1号”,欧洲人的骄傲

  9月3日,造价约1.1亿欧元的“智能1号”以7000公里时速、与月球表面几乎平行的1度角击中了月球的“卓越湖”区域,同时“砸”出10多公里厚的“尘埃”供天文学家研究。由于撞击过程与石块在水面上打水漂相似,英国媒体将这次科学考察戏称为人类历史上最大的一次“打水漂”游戏。

  智能(SMART)这个名字其实是“小使命的高等研究和技术”计划的英文词首个字母组成的缩写。事实上,“智能1号”的使命并不小,它肩负了三大任务:第一,它要测量月球地貌,分析组成月球表面矿物质的化学成分,验证月球是否形成于地球与一个小行星的强烈碰撞,进而揭示月球的起源;第二,它要使用红外频谱仪观测月球南极附近的冰。这是以前由美国宇航局的飞船发现的,科学家估计这是撞击到月球的彗星的残留物;第三,它还要勘察月球南极附近几个火山口,科学家估计这里也可能有冰。

  欧洲航天局去年9月份表示,“智能1号”探测器在月球北极附近发现的一处地方,这里“终年阳光普照,温度适宜”,有望成为建设人类定居点的理想场所。不仅如此,“智能1号”自2003年升空后还拍摄了迄今最详细的月球地理图,分析了月表的化学成分,探测了月球北极可能有水的区域。

  而更加让欧洲航天局专家高兴的是,“智能1号”在近3年的使命中实现两大技术突破。

  月球与地球的直线距离约为38万公里,美国“阿波罗”飞船从发射到抵达月球轨道只用了3天时间。但是“智能1号”却花费14个月时间,行程上亿公里才抵达月球轨道。这种“舍近求远”其实主要是为了验证其搭载的新型太阳能离子

发动机的性能,解决日后星际旅行的动力问题。

  与传统的航天器化学燃料发动机不同,太阳能离子发动机可将太阳能转化为电能,再通过电能电离惰性气体原子,喷射出高速氙离子流,为探测器提供主要动力。它利用燃料的效率比普通化学燃料发动机高10倍,因此新发动机所需燃料不多,这使得装备它的航天器有更多的空间装载其他装备。这种发动机主要利用太阳能,在宇宙无重力状况下能够连续运转几年。虽然目前太阳能离子发动机的总体推力仍然不是很大,但“智能1号”在太空中遨游近3年只消耗了60升燃料,创造了太空探险的奇迹。正是由于新型离子发动机表现优异,“智能1号”进入月球轨道的时间比预定计划还提前了近两个月。

  “智能1号”在飞行过程中以激光束作为信息载体,成功实现了空间激光通信联络。这证明了该技术在探测器高速度、远距离飞行时也同样可靠。与传统微波通信相比,空间激光通信使用的波长比微波波长明显短,具有高度相干性和空间定向性,这决定空间激光通信具有通信容量大、器材重量轻、功耗和体积小、保密性高等优点。这种技术以往只用于卫星与地球的联络,在太空探测器与地球间的联络中则是首次使用。

  探月,破谜之途与寻梦之旅

  人类再度探月,主要担负了三个任务。

  首先,月球到底从何而来?目前大致有:与地球同源、从地球分裂产出和被地球俘获三种说法。经过第一轮的探测,认同较多的一种看法是,认为月球是46亿年前,一个类似

火星大小的天体与地球相撞溅射出的物质围绕地球旋转聚集而成,如果果真如此,那么在月球上将发现和地球相近的组分以及撞击产生的影响。

  其次,月球上有着丰富的资源。据估计,月球土壤里含有大约100万吨至500万吨氦-3,具有巨大的开发利用前景。如果把氦-3作为可控核聚变燃料,它将是人类社会长期、稳定、安全、清洁和廉价的燃料资源。此外,月球上可接收到丰富的太阳能。测算表明,每年到达月球范围内的太阳光辐射能量大约为12万亿千瓦。假设使用目前光电转化率为20%的太阳能发电装置,则每平方米太阳能电池板每小时可发电2.7千瓦时。从理论上来说,可以在月球表面无限制地铺设太阳能电池板,获得丰富而稳定的太阳能。

  第三,人类将把月球建成新的科学基地,其中包括设立月球天文台,这是因为月球上有着地球表面所不具备的观测条件。并且由于可直接利用氦-3作为

火箭的燃料,再加上月球上具有引力小、无风等诸多有利因素,在月球上建立发射场,发射航天器的优势远远大于地球。为了能让人类在月球长期生活,各项探月任务中很重要的一个内容就是找水。月球南极的沙克尔顿环形山是目前已知月球上最可能蕴藏冰的地区。美国宇航局专家曾指出,如证实月球南极存在冰冻水,这些冰冻水就可供未来建设半永久性的有人月球基地。美国正计划2008年10月发射卫星来撞击月球,并希望借此进一步寻找月球存在水的证据,以利未来宇航员登陆月球并建立长期基地。

  撞击,科学家为何越来越“暴力”

  欧洲航天局用探测器撞月的主要目的是在月球表面“撞”出更多物质,以利天文学家对月球表面物质的进一步观测研究。而实际上,这并非人类第一次撞击月球。1999年7月31日,美国“月球勘探者”号探测器按照预定方案猛烈撞击月球南极地表,试图进一步证实月球上是否有水,但遗憾的是并没有观测到预想中应从陨石坑中溅起的水蒸气云。

  “智能1号”撞月的特点在于它以相对于月面很小的角度数次撞击月表,使撞击坑中深度1米以内的各种物质被抛向空中,供地面观测。为了达到这一目的,欧洲航天局在其地面观测点处于夜晚时,让“智能1号”撞击朝向地球、亮度不高、研究价值较高的月表指定区域。而地面专家的重点研究对象是撞击抛射物中铁、铝等元素。

  洗衣机大小的“智能1号”撞击月球的速度仅为每秒2公里,而通常的自然天体撞击速度能达到每秒70公里。相比之下,“智能1号”此次撞击的动静要小得多,也“温柔”得多。专家说,这次撞击可能只会在月球表面留下一个直径在5米至10米之间、深度为1米左右的坑。

  除了撞击月球之外,人类探测器还多次撞击其他天体,比如去年7月,美国宇航局“导演”的人类有史以来最大的人造天文奇观,美国的“深度撞击”号彗星探测器撞击坦普尔一号彗星。去年12月,日本“隼鸟”号探测器也向“丝川”小行星投放观测器,尝试采集其表面岩石样本。

  过去,科学家的研究多数采取天文望远镜观测和派遣登陆车的“和平”方式,现在为什么越来越多地采用“暴力手段”?这一方面是因为传统手段往往只能到达星球表面,无法满足更深入的研究,另一方面,相比于登陆,撞击的难度和成本要小很多,而成果却可能更丰硕,第三点则是如果是使用已经结束使命的探测器进行撞击,不但“废物利用”,可能得出意想不到的成果,而且也避免了太空垃圾的产生。

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