歐洲探月計畫的敲門磚——SMART—1
歐空局2003年9月27日在法屬蓋亞那庫魯航天發射場使用阿里安5運載火箭發射了“小型先進技術研究任務”(SMART)1月球探測器。這是人類進入21世紀以來進行的第一次探月活動。
月球H搶胛頤親罱男喬潁彩塹厙蛭ㄒ壞奶烊晃佬牽⑷死嗟奈蘧″諳搿:教旒際醯某魷鄭死噯鮮逗塗⒃慮蛺峁┝擻行У氖侄巍4?0世紀50年代末開始,美國和前蘇聯展開了以探月為中心的空間競賽。通過這些探月活動,人類對月球的表面形態、礦物分布和月球附近的空間環境有了基本的了解。但是,這些探月活動主要是在20世紀60～70年代之間進行的。限於當時的技術水平,人們對月球的了解仍有很大的局限性。
1994年和1998年,美國又分別向月球發射了兩顆小型探測器“克萊門蒂娜”和“勘月者”,.取得了豐碩成果。此後,一些國家和機構紛紛提出要發射自己的月球探測器,探月再度成為各個國家和機構追逐的目標。近年來提出探月的國家和機構包括歐空局、日本、中國和印度。美國航宇局也聲稱不久將重返月球,甚至還有一家美國公司計畫在近期發射月球探測器。而在這新一輪的探月競賽中,首先出發的便是歐空局的SMART-1。
SMART計畫是歐空局制定的高技術試驗計畫之一,主要目的是驗證未來深空探測需要採用的一些新技術,如太陽能電火箭、深空無線電通信、雷射通信和新型探測儀器等。SMART-1是該計畫中的第一項任務,也是歐空局首次探測月球。
飛行任務概述
SMART-1的發射過程分4個階段:首先由阿里安5火箭送入地球同步轉移軌道(同時發射的還有2顆大型通信衛星),然後用大約16個月的時間使用太陽能電火箭由地球同步轉移軌道到達月球附近,隨後進入橢圓形月球軌道(近月點300公里,遠月點10000公里),最後對月球進行至少6個月的探測。
小型先進技術研究任務除進行新技術試驗外,SMART-1還攜帶了多種儀器,包括相機和分光儀。它們將以前所未有的精度來研究月球的地形、地貌和礦物學特徵,同時還會搜尋隱藏於月球南極的水冰。SMART-1將解釋許多懸而未決的科學問題,例如月球的形成、月球的礦物成分以及水的存在與否和數量。這些數據將幫助科學家更好地認識地-月系統以及類地行星,也將為人類在月球上長期居住提供大量有價值的信息。SMART-1還有一項重要任務,那就是在太空中試驗太陽能離子發動機推進系統和深空飛行所需的其它創新和關鍵技術,為未來的行星探測任務鋪平道路。SMART-1飛行任務的基本情況見表1。
小型化思想的傑作
如上所述,SMART計畫的目的是驗證未來深空探測所需的創新和關鍵技術,包括小型化技術。該計畫今後陸續還會有其它任務出現。為節約空間和降低成本,SMART-1全部由低成本、小型化的尖端技術部件構成。SMART-1升空時的總質量只有370千克,用於完成10多項技術試驗和科學研究的有效載荷質量僅為19千克。它搭載的科Aб瞧髟諫杓粕顯擻昧俗釹冉男⌒突拍詈頭椒ǎ渲杏⒐圃斕摹靶⌒統上馲射線光譜儀驗證裝置”(DCIXS)體積只有15立方厘米,質量不到5千克。
太陽能離子
發動機引人注目
SMART-1將使用太陽能離子發動機作為主推進系統。太陽能離子推進系統有望成為未來空間航行的主流推進系統。隨著人類對空間飛行任務要求的提高,傳統火箭已難以完全滿足需求。離子發動機的出現標誌著空間探測推進技術進入了一個全新的時代。
小型先進技術研究任務離子發動機實際上並不是一個新概念,其歷史至少可以追溯到1959年。美國在1964年就曾在“空間電火箭試驗”(SERT)1亞軌道飛行中試驗過2台離子發動機,其中一台成功工作,另一台未能工作。1998～2001年,美國航宇局利用“深空”1探測器,首次嘗試將離子發動機作為主推進系統。與“深空”1相比,SMART-1將進行更精細的操作。它將首次綜合運用太陽能電推進和行星與衛星的引力來控制太空飛行器飛行。SMART-1將確保歐洲在使用離子發動機方面的獨立性。
與傳統的化學火箭發動機不同,離子發動機不靠燃燒燃料來產生推力。簡單說來,離子發動機的工作原理是:利用電能使氣體工質電離,產生帶正電的離子和帶負電的電子。電離的氣體通過發動機內的磁場加速離開發動機,產生推力。如果電能是由太陽能電池板提供,則稱為太陽能電推進。
與化學發動機相比,離子發動機的工作效率要高約10倍,但不足之處是推力小。不過由於離子發動機利用的是太陽能,所以持續工作時間要比傳統發動機長得多。由於效率較高,所需工質較少,用於放置科學儀器的空間可相對增大。同時,隨著技術的進步,科學儀器的尺寸將越來越小,太空飛行器整體尺寸和質量都會減小,太空飛行器效率會進一步提高。離子發動機很可能使原來無法實現的任務成為可能,為太陽系內的空間探測活動開闢新的途徑。
小型先進技術研究任務SMART-1使用的是PPS-1350型電漿霍爾效應推力器,由法國斯奈克瑪公司製造,使用氙氣作為工質,電能由太陽能電池板提供,可提供約70毫牛的推力。除SMART-1使用離子發動機作為主推進系統外,歐空局還已使用小型離子發動機將被阿里安5火箭送入錯誤軌道的“阿蒂米斯”通信技術試驗衛星送入了正確的地球靜止軌道位置。
不為探月而探月
技術試驗是重點
SMART-1月球探測計畫不僅具備科學上的價值,而且在空間技術開發中也扮演著重要的角色。除離子推進外,它將要試驗的新技術還包括自主導航和雷射通信技術等。從表2可以看出,在SMART-1攜帶的主要儀器當中,有些被用於科學觀測,也有的用於新技術驗證。由表可見,SMART-1進行技術試驗的份量特別重。作為技術儲備,SMART-1飛行任務還會對歐洲航天與防務一體化做出貢獻。
歐洲發射月球探測器只是整個人類邁出的又一小步,而對歐洲來說,SMART-1卻是其航天計畫的又一次重大飛躍。SMART-1使用的技術在歐洲未來對其它行星進行探測時都能用得到。
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