撞月

　　文 / 李杰信

　　現任美國航天總署(NASA)總部資深技術顧問兼太空任務科學家

　　人類最近送上去一系列月球探測器。其中，繞月球軌道飛行照相最為普遍，特意往月球表面上撞的也不少。

　　從人類文明史看來，月亮應是給人欣賞的�！芭e杯邀明月，對影成三人”，孤單中有浪漫，熱情中含悲愴。曾幾何時，再望明月，詩意愁腸竟已蕩然無存。并非明月不再引起千里共嬋娟的情懷，而是月球三天兩頭被人類的飛行器碰撞，早已鼻青臉腫，瘡痍滿目，美顏不再，竟至不堪一顧了。

　　人類現在如此積極地撞月，也是萬般無奈：政治壓力太大，不得已而為之。此為后話。

　　撞月的主要目的是要把月表下的東西翻出來看看。撞月又是美國帶了頭，并揚言要在2018年重返月球，建立前哨站，登月蹲點長期駐扎。長駐就得先解決水源問題�？茖W家認為，月球南北極地下應有“水冰”(water ice)礦，是40多億年前，太陽系隕石風暴期間由大批彗星和小隕石帶進來的，現在還應趴在月表下，別來無恙。

　　撞月之第一目的，就是要把這個水冰礦炸開一角，激起水冰碎片甚或水氣，十里長柱，好讓繞月衛星上的儀器仔細分析，看看煙硝漫塵中到底有無氫二氧(H2O)，也就是水。

　　當然，在那些激起的灰塵中，還能看到組成月表的其它重要成份和化學分子。在月球長住的人類除了需要水，還需要氧氣。月球有制造氧氣的原料嗎？另外，人類在本世紀必得開發各類綠色能源。氦3原子間的核聚能是重要的綠色能源之一。氦3主要來自太陽風(solar wind)。地球有巨大磁場保護，太陽風不得而入，以致地球上氦3蘊藏量極微。月球幾近無磁場可言，太陽風長驅直入，經過40多億年的沉積，專家認為月球表層數米內的氦3含量近百萬噸。人類想經撞月手段證實，月球上的氦3蘊藏量果真如理論計算出來的那么豐富嗎？

　　21世紀初期，人類已把美麗凄艷的月神摧毀。月球只是一個無大氣無氧無水的生命絕地。人類原本老大不愿意再去月球折騰，但政客承受不了政治壓力，只得從匆忙上馬的“回月球，去火星”的太空策略中，尋求舒解。

　　舒壓

　　美國1969年登月，擊敗“魔鬼帝國”蘇聯，取得冷戰勝利，登上科技龍頭老大寶座，意氣飛揚！放出大話，“月球已去過，事情也辦完”(been there, done that)。月球已被征服，下一站該是火星，甚至是木星的衛星歐羅巴(Europa)。歐羅巴擁有上百公里深的海洋，說不定有鯊魚在里頭翻騰呢？

　　登月后的美國，在越戰的煉獄中煎熬，迅速由月球全面撤退，舒解軍費壓力。省錢歸省錢，但20萬太空科技人員要保住，不能流失，導致“航天飛機，太空站”計劃出爐。美國人帶頭，15個國家跟進，人類在低地球太空軌道(low earth orbit，LEO)轉呀轉地，一恍忽悠了30多年。2003年2月1日，“哥倫比亞號”航天飛機在返航進入大氣層時解體，人機俱毀。這是航天飛機第二次空難。航天飛機系統復雜，維修困難，更何況其任務只是送航天員到近太空軌道中的太空站打轉玩耍，讓美國老百姓過科技老大干癮。實情是太空站科技內涵貧乏，航天飛機的飛行又危險重重，很難獲得學術和政治界全力支持。

　　布什政權的太空站計劃玩不下去了。

　　同年秋季，中國挾“神舟五號”余威，開始熱烈討論中國未來的登月計劃。布什一看，機會來了。美國可不能把月球這塊地盤讓給中國，得在中國之前趕回月球。再加點碼，就說這次回月球是為去火星鋪路。美國“回月球，去火星”新太空策略就是在這樣的背景下，于2004年1月匆忙上馬。

　　說穿了，布什的新太空策略，骨子里并不是真的要“回月球、去火星”，而是從航天飛機、太空站脫身的障眼法而已。外加美國鷹派一直想用“中國威脅論”來嚇唬美國老百姓。中國送來的這個大紅包，剛好讓美國天衣無縫地由“國際太空站”金蟬脫殼。大哥不玩太空站了，小弟們傻了眼。大哥怎么不講義氣把我們甩了？但大哥又鼓動我們去月亮。沒轍，只好無奈追隨。

　　既然要去月球長期蹲點，頭等大事就是找水源，找水就得先撞月。美國在1990年代無主題地撞過兩次(Clementine 1994 和Lunar Prospector 1998)，歐洲“智能一號(Smart 1)” 2003年跟進，緊接著印度的“撞月探測器”(Moon ImpactProbe 2008)和中國的“嫦娥一號”(2009)也完成撞月動作。美國重量級的撞月船(LCROSS, 2009)即刻又要出發，日本的“月亮女神號”(SELENE)也將在2009年底前撞月。

　　在美國主導下，各國撞月此起彼伏。人類這股撞月風，在未來幾年，恐將越刮越猛。

　　月球

　　雖然月球近幾年被撞得鼻青臉腫，但月球本身其實就是撞出來的。

　　人類對月球形成的理解，經過好幾度思維革命。最早的理論認為月球是由胚胎期的地球甩出去的，并以地球留下的太平洋大坑為證。這理論很快就被推翻了，因為“甩”這個動作需要很大的離心力，而地球從來沒自轉過那么快，甩不出東西的。

　　既然地球甩不出月球，那月球應該是從外地來的，路過地球，被地球引力逮個正著。這個理論也有漏洞。月球的個頭太大，路過地球附近如無“剎車”機制，地球引力哪怕用盡吃奶的力恐怕也逮不著它。剎車只有靠地球的大氣層。但地球大氣層厚度太薄，伸不到那么遠去剎月球的車。

　　另一種說法是月球和地球使用相同的原始素材，同時在太陽軌道上形成。這個理論的缺陷是地球和月球兩個天體的組成成份相差太遠，地球基本上是個大鐵球，而月球含鐵量甚微，兩個球體基因不同，不可能由相同原始材料構成。

　　其實上面三個理論的最大致命傷在于地球月球這兩個天體整體旋轉的速度太高，用專家的語言來形容，就是地球月球的體系擁有巨大的“角動量”(angular momentum)。

　　目前月球形成的主導理論說，在太陽系形成后的3~5千萬年，原始地球被一個有如火星大小的外來天體高速碰撞(圖1)，挖走了部份地球材料，和部份外來天體融熔混合，形成當今的月球。這個理論提供了巨大角動量的來源，外加月球粗略的成份也獲得解釋。這個理論需要加強的是外來天體的確切大小和兩類材料的細微分布狀況。由計算器模擬演算，這個理論可能與實際情況相差不遠。

　　這篇文章的主題是撞月。撞月就得送宇宙飛船到月球。要到月球就要知道月球的太空軌道，以及宇宙飛船航行到月球的太空軌道。

　　先談月球在太空的軌道。

　　月球形成后，它的繞地球軌道相當樸實。粗略地說，它繞地球的軌道和地球繞太陽的軌道幾乎在同一個平面上。外加它的自轉軸的傾角也很小(約5度)，很像一個垂直旋轉的陀螺，不像地球有23.5度的傾角，造成鮮明的地球四季。月球軌道在地球、水星、火星和土星等的太陽軌道上轉，從前文提到的1994年探月的克萊門坦(Clementine)衛星上看得最清楚。在這個經典相片中，月球被后面的地球反光照亮，從月球望去，太陽在月球的左緣，緊跟著從右到左，土星、火星和水星一字排開，皆在眾行星的太陽軌道上，為難得一見的天文景觀(圖2)。

　　月球形成后，重力場小，抓不住大氣，月亮就成了高真空之地。它的組成成份只有部份地表材料，鐵的含量低，又因體積小、散熱快，月球幾乎凝固到核心，不像地球，地表下有巨大的鐵漿流，形成龐然的地磁屏障，阻擋外層空間的高能粒子和宇宙射線進入，太陽風帶來的各類高能粒子也被折彈轉向，難入奧堂。相比之下，月球可以說是門戶大開，毫無設防，各類宇宙射線、高能粒子照單全收。尤其是由家門口太陽吹過來的太陽風，里頭的氫、氦、鋰和重金屬離子，更是來者不拒，45億多年下來，沉積存量大，尤其在兩極地區，大多只進不出，打造成月球為太陽系演化數據的聚寶盆和檔案庫。

　　還有，太陽系形成后，經歷了7億年之久的隕石風暴。巔峰期，數十、上百公里直徑的彗星隕石，挾帶上億噸水份，撞擊地球月球和其它行星，在地球形成了澎湃的海洋，在月球也不應差到那去。只是月球重力場低，又無大氣層，即使彗星帶來再多的水，也幾乎是隨到隨蒸發，消失于太空，尤其在月球的赤道地帶，因自轉軸傾角低，太陽幾近直射，高溫深透月表，水能在月球存留的機會微忽其微。

　　但有兩個地方可能是例外。

　　月球的南北極，因月球的自轉軸傾角極低，有些地方永不見陽光。這也就是說，自月球形成后45億多年，月球的南北極部份地盤永遠黑暗。恒久的黑夜帶來了恒久的低溫。從理論上來說，隕石風暴的7億年間，帶水的彗星隕石撞擊月球，應從四面八方360度全方向而來，所以月球的南北極也會被彗星隕石碰撞。外來天體速度高，碰撞后鉆入月表數十、上百公尺，在永無日照極低溫下，這些月表底下的水冰就可能存留下來。

　　所以，撞月找水源，月球南北極為首選。精心策劃的撞月任務，應專門向南北極永凍之地撞去才有意義。

　　月球對地球至關緊要。地球潮汐的產生、生命的起源，與月球息息相關，是另一篇大文章，在此不談，只說產生潮汐要消耗能量，這個能量由地球自轉能量提供。每年為供應地球潮起潮落的能量，地球自轉速度變慢，造成月球要遠離地球3.8厘米。幾十億年后，終有那么一天，月球將脫離地球重力場的掌控，一去不還。

　　軌道

　　月球是離地球最近的一個天體。近歸近，離地球還是有38萬多公里，以越洋民航機的速度，單程要繼飛15天左右，才能抵達。送宇宙飛船去月球，要更講究些，得使用最經濟實惠省燃料的軌道。

　　一般宇宙飛船在太空飛行，皆采用赫曼轉移軌道(Hohmann transfer orbit)。這類軌道的原理甚為簡單，基本上是由一個小圓形軌道，在某特定點加速成一個大圓形軌道，然后再在這個大圓形軌道某定點再加速到另一個更大的圓形軌道。這樣一次又一次增加軌道半徑，節節拔高，宇宙飛船就離地球越來越遠，越飛越高，一直飛到目的地高度為止。

　　舉個送衛星到地球同步軌道的例子。同步軌道，顧名思義，就是在這個軌道上的衛星每24小時繞地球一周，從地面望去，這顆衛星對地面不動，形成“同步”現象。這類軌道在地球赤道上空，是商業通訊衛星工作之位置。

　　送衛星到同步軌道，火箭先借點地球自轉速度的幫助，朝東發射，進入小圓形軌道A，在小圓形軌道P1點加速，進入一個較大圓形軌道B，最后在B軌道的P2點加速，進入24小時周期的同步軌道C(圖3)。

　　去月球，軌道設計略復雜些，但不出重復使用赫曼轉移軌道概念。以“嫦娥一號”奔月軌道為例(圖4)，長征火箭先將嫦娥衛星送進一個周期為18小時的橢圓形軌道。這類軌道一邊離地球僅數百公里，通訊聯絡校檢衛星功能儀器方便。一切指標正常后，在近地點加速，將衛星甩到一個24小時周期的大橢圓形軌道，再檢校儀器健康指數，一切正常后，在近地點將衛星加速轉移到一個48小時周期軌道，再檢驗健康狀態。如果一切正常，則在近地點猛加速，使“嫦娥一號”有足夠速度，約每秒11.2公里，脫離地球引力控制，進入一個需為時116個小時旅程抵月的地月轉移軌道，奔向月球。

　　“嫦娥一號”抵達月球后，要減速到每秒2.38公里以下，才能被月球較弱的引力捕捉住。所以嫦娥在抵月前，遠遠就要打開反向火箭剎車減速。一般探月衛星，像地球上的軍事衛星一樣，最好進入兩極軌道，軌跡才能覆蓋整個月表。上文細說過月球軌道特性�！版隙鹨惶枴币�進入月球兩極軌道，得使用燃料轉向，將軌道平面轉90度，先進入一個12小時周期的大橢圓形軌道，檢查衛星健康狀況，一切ok，在近月點減速，進入一個3.5小時周期的小橢圓形軌道，再做最后校檢，一切符合指標后，再在近月點減速，最后進入一個200公里高度的兩極圓形任務軌道，開始操作。

　　撞

　　1994年美國探月衛星克萊門坦(Clementine)的主要任務是月表照相，但從它在兩極的雷達波反射數據推演，好像有些水冰存在的蛛絲馬跡。在這個“情人眼中出西施”的一廂情愿的導引下，美國在1998年再送上另一個“月球探測衛星”(Lunar Prospector)，特別設計了最后在南極的撞擊任務，可惜沒能激起足夠灰燼，任務以失敗告終。歐洲“智能一號(Smart 1)”2003年再接再勵，這次撞出的月表灰塵夠多，但不幸碰撞地點在南緯35度位置，只能得到一些月塵成份數據，與水冰掛不上鉤。印度的“撞月探測器”(Moon Impact Probe )在2008年11月14日正確撞上了南極最理想位置沙克爾頓(Shackleton)隕石坑，并有配套的軌道衛星從空中實況紀錄。但這次碰撞能量太低，像小老鼠撓癢一樣，無可用數據。

　　沙克爾頓隕石坑是美國在月球建立前哨站的首選地點，在這附近一定得找到大量水冰，否則美國回月球長駐計劃很難玩下去。

　　中國的“嫦娥一號”在2009的3月1日也完成撞月動作(圖5)。但碰撞地點幾乎正在赤道上�！版隙鹨惶枴钡闹饕�任務是月表照相，取得了前所未有的數據。但撞月這塊，好像是臨時起意的，有點不撞白不撞的感覺。所以，嫦娥撞月后，并沒有像印度一樣，有配套的軌道衛星在旁紀錄，僅能依賴遠在河北興隆國家天文臺的望遠鏡觀測，有美中不足之憾(圖6)。

　　美國重量級的“月球隕石坑探測衛星”(Lunar Crater Observation and Sensing Satellite，LCROSS)即刻就要出發。這艘精心設計的撞月船由“月球偵測軌道衛星”(Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO)攜帶，抵月后，兩星分離，開始準備撞月，動作分兩階段完成。撞月地點死鎖為兩極之一，至于是南極或北極，要看發射時地球、月球和太陽三個天體間的相對位置。在精確的導航下，美國這次也把燃料用盡的火箭廢殼用上，先行撞月，LCROSS先觀察激起的灰塵，完成數據分析，上傳給LRO后，自身在4分鐘后，瞄準極地，沖撞下去。為了達到最佳效果，撞月角度為70度。在這個撞角下，定能激起千重塵浪。

　　美國近期“回月球，去火星”的進展速度，就靠這一撞了。如果撞后水冰碎渣滿天，水氣彌漫，極地水源豐富，登月之舉則一路綠燈全開了。

　　日本的“月亮女神號”(SELENE)將在2009年下半年撞月，地點為南極的沙克爾頓隕石坑。但這次撞月，無日本自身配套的軌道觀測衛星紀錄，印度和美國的月球軌道衛星可能會提供技術支持。

　　結語

　　布什的“回月球、去火星”計劃，本是從“國際太空站”脫身的權宜之計，地基建在沙灘上，背后政治支持力量薄弱。布什政權到伊拉克抓本•拉登，施政理念荒謬已極。聰明睿智的奧巴馬政府，正在全面審查這個太空計劃。他會認為美國現在玩命的積極登月，也是荒謬之舉嗎？

　　在世界金融海嘯下，他很可能放緩登月腳步。有多少錢，辦多少事(level of effort)。不用急，月球在一億年內還跑不掉。

　　人類要到月球蹲點長駐，一定要在月球南北極找到水源。撞月是找水源必要手段�！扒逡篃o塵，月色如銀”。但這么密集撞月，月球恐已灰塵漫天，高尚貞潔不再，海誓山盟失憑，這是人類文明的巨大損失，值嗎？

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