【探索29-6】淺談探月

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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

來源:臺大科學教育發展中心

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
來源:臺大科學教育發展中心

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
來源:臺大科學教育發展中心

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
來源:臺大科學教育發展中心

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。

 

未來探月場景與展望

國際太空探索協調小組在2022年提出了未來探月場景,第一階段為載人登月,第二階段則著重於月球探索、擴展和建設,探究月球居住和就地資源利用的可能性,並以前進火星為目標,增加探月持續時間和利用率,第三階段則是持續發展停駐月球的各種機會。

探月,曾是人類遙不可及的夢想,但在未來將越來越普及,不管是科學探索或是與商業活動都將更加地頻繁。

 


圖左為主持人東海大學通識中心李承宗助理教授;圖右為講師林新發博士|來源:臺大科學教育發展中心

 

延伸閱讀:《【人物專訪】太空的逐夢者——專訪林新發博士


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