【探索系列講座】地球科學&環境本月精選第29期：太空時代再起——THE NEW OCEAN

【探索29-6】淺談探月

2023 年 08 月 07 日2023 年 12 月 04 日 CASE PRESS 冷戰時期, 太空競賽, 探月計畫, 月亮, 阿波羅計畫

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第29期「探索」系列講座「The New Ocean——太空時代再起」第六講邀請到國家太空中心林新發博士，為我們說說人類與月球的浪漫故事。古今中外，人們就對月亮有無限的嚮往，在各地的神話當中，也都有著月神這個神祇。在科學方面，從伽利略發明望遠鏡以後，人們便從以管窺天一步步走到踏上月球表面。本次講座林博士為我們細細介紹歷史上重要的三波探月熱潮，從美蘇冷戰的太空競賽，到1990年代後的百家爭鳴，最後也會談談近期的「太空時代再起」，分析各個摩拳擦掌準備探月的國家們，它們各自的短期與長期性的目標。

講者、審定｜國家太空中心林新發博士

彙整、撰稿｜周書瑋

從古至今，人們就對月亮的傳說有著無比的憧憬與嚮往，進而崇拜月亮，並賦予月亮神格化的地位-月神，在世界各國均是普遍的現象。東、西方各有不同的月神，東方最廣為人知的月神，莫過於中國的嫦娥和日本的輝夜姬；西方最有名的則是希臘神話的月神阿提米絲。

西元前五百年，巴比倫人用肉眼觀測瞭解月蝕和月球公轉週期；十七世紀時，伽利略發明望遠鏡，觀測到月球凹凸不平的表面。在那之後，人類不滿足於以管窺天的喜悅，更要親自到太空中見證宇宙的遼闊，甚至夢想著登上月球，一窺月神的面貌。二十世紀中，火箭和太空科技均有長足進展，人類探索月球和登月的夢想終能成真。

歷史上大致發生過三波探月熱潮，第一波是美蘇冷戰時期的太空競賽，第二波在1990年後興起，第三波則是近幾年掀起的新一波探月熱潮。今天探索基礎科學講座邀請到國家太空中心林新發博士，為我們詳細介紹歷史上的探月熱潮，以及未來探月的場景與展望。

冷戰時期的美蘇太空競賽

1957年，蘇聯成功發射第一顆人造衛星Sputnik 1；四年後，將人類歷史首位太空人尤里・加加林送入地球軌道；1964年更完成首次多人飛行計畫。不甘落後於蘇聯的美國急起直追，美國總統甘迺迪在1961年宣布要在60年代結束前，讓人類登上月球並安全返回地球，為此規劃了數年的登月計畫。

1968年，阿波羅七號首次成功載人繞行地球，驗證登月任務中太空人居住在探月艙、軌道會合和重返功能，讓先前經歷失敗的美國太空總署重建信心。阿波羅八號首次載人繞行月球，是人類第一次離開近地軌道看到地球全景，也是人類第一次穿越范艾倫輻射帶。數月後的阿波羅十號則首次將登月艇送入月球軌道，成功執行登月所需的一切步驟。1969年七月，阿姆斯壯和艾德林達成人類首次登陸月球的壯舉，後續美國又成功完成五次登月任務。阿波羅計畫載人登月成功，並非一步到位，而是累積多項工程計畫和技術，加上收集完整的環境和影像資料，從無人探月的先驅者、遊騎兵、測量員、月球軌道器等計畫，再到載人的水星計畫、雙子星計畫，一路到阿波羅計畫，歷時超過十四年才獲得如此重大的成果。

1964年，蘇聯開始一系列的載人繞月和載人登月計畫，但前者因1968年美國阿波羅八號率先完成載人繞月飛行而告終，後者實施八年後因四次火箭試射以墜落和爆炸告終。儘管如此，蘇聯的無人探月計畫仍開創了許多世界紀錄。1959年，蘇聯的Luna 1脫離地球重力，為歷史上首次飛掠月球之太空飛行器；1966年，Luna 9成為人類歷史上第一個在月球實現軟著陸的月球探測器，證明月球表面是堅固的，人類不再需要擔心降落月球表面時陷入流沙；同年三月，Luna 10成為世界第一個環繞月球的飛行器，也是月球第一個人造衛星，更是人類第一個環繞其他天體的飛行器；1976年，Luna 24獲取月表下面兩米的岩石樣本，也是蘇聯月球計畫中最後一個送回月球表面樣本的探測器。至此，冷戰時期美蘇太空競賽終於告一段落。

1990年代後各國主要的探月計畫

美蘇太空競賽結束後，人類探月活動沈寂了十多年，美國太空總署的任務重點轉移至太陽系其他區域，但仍透過先前的樣本、遙測數據和自地球觀測的望遠鏡影像，持續對月球進行研究，而蘇聯則持續進行載人太空站各項實驗和活動。1990年後，探月活動像雨後春筍般再度復甦，從1990～2016年，可說是史上第二波探月熱潮。1990～2003年，日本和歐盟首次投入探月行列，美國太空總署亦在此時重啟探月計畫；2004～2008年，日、中、印三國幾乎同一時期發射探月飛行器，頗有互別苗頭的意味；2009～2016年，美、中相繼發射更為先進的探月飛行器，兩強競爭態勢愈趨明顯。

日本的飛天號在1990年執行繞月任務，成為第一艘用低能量轉移方式進入月球軌道的飛行器；四年後，美國Clementine執行繞月任務，記錄月表地形、影像和地質成分，之後的Lunar prospector以低高度執行繞月任務，發現月球南北極可能含有大量冰凍水；2003年，歐盟SMART-1展示太陽能離子推進技術，其推力效能為傳統化學燃料的三倍。二十一世紀開始，亞洲各國在軍事和經濟上逐漸增強，南北韓各自藉由發射火箭展現自身國防實力，日、中、印也因經濟和歷史因素持續的互別苗頭，在探月計畫上不遑多讓。2007～2008年兩年間，日、中、印各發射一艘探月飛行器至月球軌道，日本發射月神-輝夜姬號，中、印則分別發射該國第一艘探月器：月神-嫦娥一號及月船一號，三國均成功完成繞月任務並獲取影像及環境資訊。

2009年，美國同時發射月球探勘軌道器及月球隕石坑觀測器，執行美國太空總署重返月球的先鋒任務，前者影像解析度達五十公分，比類似任務高十倍，後者則為建立基地尋找隕石坑水冰線索。2011年及2013年，美國又分別發射GRAIL及LADEE月球探測器，精確繪製月球重力場，並探測月球大氣層中散逸層和周圍的塵埃，這兩艘探測器所獲取的資訊，不但對未來重返月球任務有幫助，科學的貢獻亦成果斐然。中國方面，嫦娥二號在2010年順利在三號預定著陸區，完成高解析度成像；2013年，嫦娥三號更成功使用著陸器和漫遊車，甚至使用核能加熱，以度過酷寒的月夜。

近期掀起的新一波探月熱潮

2017年起，美、中、印、新興太空國家和私人企業相繼投入，預告新一波探月熱潮的開始。這波新的探月浪潮最受矚目的，莫過於2017年美國宣佈重返月球的阿提米絲計畫 (Artemis program)；此外，還包括中國於2018年起，嫦娥四號、五號登月，取樣成功；韓國賞月號繞月成功；以及以失敗告終的以色列登月創世紀號、印度月船二號和日本白兔號登月計畫等。

中國在美蘇冷戰期間積極儲備太空科技能量，蓄勢待發，使其得以成為繼蘇、美、法、日後第五個獨立發射人造衛星的國家。中國的探月計畫分為三大步驟：探、登、駐，又稱為大三步。「探」代表無人探月，「登」代表載人登月，「駐」則是長久駐月；其中第一步驟「探」又分為繞、落、回三期段，統稱為小三步。嫦娥一、二號完成繞月任務；嫦娥三、四號攜帶漫遊車著陸於月表，嫦娥四號更成為世界首次在月球背面軟著陸的飛行器，其在地-月之L2點（拉格朗日點，Lagrangian point）布署鵲橋號衛星作為通信用途亦是全球首次；嫦娥五號則完成取樣任務。至此，中國已接續完成大三步第一步驟「探」之繞、落、回小三步各期段目標，後二步驟則尚待完成。

美國重返月球的阿提米絲計畫，是政府與民間共同參與、多國合作的宏遠計畫，主要目標有三，分屬短、中、長等不同期程目標。短程目標是人類再次登月，在2024年（現已延後）讓第一位女性和第一位有色人種登上月球，利用創新技術探索比以往更多的月球表面，這是1972年人類最後一次登月後，時隔五十多年人類再次重返月球的計畫；中程目標是建立月球基地，與商業和國際合作夥伴合作，在月球上建立第一個長期存在之基地；長程目標則是為人類火星任務做準備，將利用在月球及其周圍學到的知識來實現下一個巨大飛躍：將第一批太空人送往火星。阿提米絲計畫之登陸地點選在月球南極，原因是南極有大量的水冰藏在永暗區的撞擊坑。

水的存在不僅能提供飲用水，還能分解為氫和氧作為飛行器燃料，尤其這次和過去短暫登陸不同，是希望在登陸地附近建立起月球基地，甚至為前進火星作準備，因此有無水冰存在，就顯得特別重要。此外，美國的阿提米絲計畫還將仿造地球上空之國際太空站，在月球上空建立一個繞月太空站，稱為月球門戶 (Lunar Gateway)，作為地月往來以及前往火星（或其他星體）的中繼站，藉此逐步發展前進火星之探索能力。