太空真奇妙 月球系列之十二: 歐洲的繞月小船

文/楊祖愛(美國太空總署太空工程師、國際太空站機器 |2015.01.31
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SMART–1號的藝術想像圖。 圖像來源/歐洲航天局

文/楊祖愛(美國太空總署太空工程師、國際太空站機器人CCM計畫經理)

歐洲的太空事業於1964年即已開始,當時叫做歐洲太空研究所,後於1975年擴大成立歐洲航天局(ESA,European Space Agency),總部設在巴黎,現有19個會員國,外加北美的加拿大為其聯盟會員。

歐洲的繞月任務起步晚,由瑞典太空局研發設計的SMART–1號衛星於2003年,由亞利安五號運載火箭發射升空,SMART的原文是Small Mission for Advanced Research In Technology,顧名思義,先進科技研究小任務。

她確實很小,只有1米長,總重367公斤,用的是什麼先進科技呢?主要在於用了以太陽能為動力的離子推進器。

推進器是用來帶動機器前行的,有許多推動的方式,比如汽車的引擎,以我們熟知的汽油為燃料來發動前行,一般飛機以航空煤油來飛行,推動火箭一般是用化學物品中的強氧化劑與易燃金屬粉末混合後,產生高溫氣體來推進火箭的衝力,而太空船最常用的是液態氫和液態氧。

離子推進器又是怎麼回事呢?基本上是利用物理學上的霍爾效應(Hall Effect)產生電磁加速的功能來推動機器。霍爾效應是把一個能導電的東西放在磁場內,將它通電後,它體內的電荷載子就會偏向一邊而產生電壓,電壓引致的電場力能將帶電的離子加速後噴出,以其反作用力推動前行。

SMART–1用了這個原理,在發射時,只用了50公升的液態惰性氙作推進劑,氙是一種無色無味的稀有氣體,推進器把氙原子變成離子後,可以加速至傳統火箭的三倍以上。

由此可知,離子推進器只需少量的推進劑就可以達到高速度,可節省燃料而減輕太空船載重,不過,它還有一些缺點需要繼續研究改進。

其實離子推進器的觀念,美國在1998年發射的深空1號用來探測小行星及彗星,以及日本在2003年發射的系川小行星採樣任務隼鳥號,都是用的離子推進器,美國續於2007年以改進方式發射了小行星帶探測船黎明號,至今仍在深空執行任務。

歐洲航天局的探月策略是小而經濟,SMART–1的主要目的,是測試離子推進器和一些小而新的科學儀器。傳統的儀器體積大而重,二十世紀末期開始廣汎應用的微型化機械,光學和電子零件產品,若能有效應用於太空飛行器上,則可減重省電省燃料,有助於深空長期飛行,例如飛到火星去,NASA的火星探測任務,早已應用微型化設計,歐洲的SMART–1號上面用的微型儀器,有攝像機、X射線光譜儀及螢光譜儀、推進器收集系統、月面灰塵探測器和高度控制器,它們的重量僅在0.8到6.2公斤之間,耗電量在1.8至26瓦之間,確實達到了小而新的基本目標。

SMART–1號於2004年9月27日升空後,2004年11月11日飛抵月球重力影響區,2005年2月27日飛抵繞月軌道,因為離子推進器的動力小,雖然飛得慢,但是成功的演示了離子及微型的可行性,由於這架小船的性能表現良好,歐洲航天局把任務期延長,直到2006年9月3日才照預定計畫撞落月球,任務結束。

此文落筆於2014年,歐洲正在進行下一輪的計畫,已知的探月計畫中,包括月球登陸號Lunar Lander,目的在演示安全軟著陸,這是不載人的計畫,目前預計於2018年升空。

歐洲航天局在2001年時,展開了曙光女神計畫(Aurora Programme),此計畫以探測火星為主,因為缺乏經費,轉向與美蘇兩國分頭合作,計畫中的一部份為載人登月,預計2024年達成,不過歐洲航天局的三個主要出資國,德法義質疑其必要性,因此載人登月這部份可能被刪除,不必去湊熱鬧了,而專注於火星任務。太空飛行是昂貴的,我們靜觀其變。

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