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俄羅斯失敗之火星任務Phobos-Grunt太空船預定於1月16日重返地球大氣

2012/01/11 | | 標籤:

根據俄羅斯太空專家的計算,任務失敗的Phobos-Grunt太空船預定將於2012年1月10~21日期間重返大氣(re-entry),但最可能的時間點是在臺北時間2012年1月16日5:00(±18小時),歐洲太空總署(ESA)則預測可能在1/14~15(±5天)重返大氣;俄羅斯太空局(Roscosmos)預測最可能墜落地點是在西伯利亞至北美洲之間的北太平洋海域,美國相關機構則預測最可能落在阿富汗西南方,臺灣地區不在目前預測的墜落範圍內。俄羅斯官方指出應有約20~30個、總重約200公斤以下的碎片抵達地球表面。不過詳細的墜落時間和地點還需等到愈接近重返大氣時,才能愈確定。根據Spaceflight101.com網站1/6最新消息,目前這艘太空船的軌道為176km×221km,每88.5分鐘環繞地球一周,軌道傾角為51.4度,換言之:南北緯51.4度之間的區域都需提高警覺、事先防範。

Phobos-Grunt Sample Ground Tracks. Photo: Orbitron


重返大氣

Phobos-Grunt太空船相當龐大,總重達13,500公斤,比2011年9月NASA重返大氣的UARS氣象衛星和10月重返大氣的德國ROSAT天文衛星都大許多;它絕大部分質量是有毒且可能爆炸的推進燃料—聯氨( hydrazine)和四氧化二氮(Dinitrogen Tetroxide,N2O4),達11,150公斤左右。各國對這部分可能的影響感到恐懼,不過,各太空垃圾機構都表示:太空船有球形的鋁製儲存槽,一旦太空船開始衝進濃密的地球大氣層中,與空氣摩擦的結果將導致鋁製儲存槽被加熱到無法承受的地步,儲存槽中的燃料漏出並在空氣中燃燒,應該不會有殘餘的燃料可抵達地面。此外,因為推進器在寒冷的太空環境中待了數個月之久,燃料也被冷到凍結,所以在太空船重返大氣過程中,大氣摩擦加熱的部分熱能得用來解凍燃料而損耗。所以推進燃料部分造成的影響應該不大。

科學家預估:這艘太空船重返大氣之後可能存活並撞擊地面的部分,可能是重達7.5公斤的重返艙(Entry capsule)。當初這部分是設計來取得火衛一表面的土壤,並送返地球以供科學家研究用,故相當堅固耐熱;此外在重返艙中還有細菌、真菌和其他微生物等,是作為生命實驗用途,希望測試往返地球進行太空旅行時可能對人類產生的危害。

Phobos-Grunt太空船中攜有少量鈷-57(Cobalt-57)放射性同位素,乃太空船上用以分析火衛一樣本的光譜儀的一部份;不過應該會在重返大氣過程中全數銷毀,不會對地面有任何影響。

雖說除了重返艙之外的其餘部分,但一般衛星重返大氣過程中,大約會有20%~40%抵達地球表面。考量俄羅斯太空船通常建造的比他國還結實堅固,殘留的質量可能比前述比例還高。若再考慮推進燃料可能全部爆炸的話, Spaceflight101.com的太空專家認為將有多達475~950公斤的Phobos-Grunt殘骸抵達地面。

除開上述各零件外,太空專家們唯一無法確定的超級因素就是Phobos-Grunt上、中國與俄羅斯合作的螢火1號(Yinghuo 1)。由於中國一直沒有公開詳細的技術、毒物或任何可能產生危險的零件等資訊,太空專家們無從判斷與估計這個探測器究竟會不會在重返大氣過程中完全燒毀、還是會殘餘多少重量、多少數量的碎片。


Phobos-Grunt火星任務

Phobos-Grunt. Image: Lavochkin Association Phobos-Grunt火星任務是俄羅斯中斷了20年之久才終於成行的太陽系探測計畫,是俄羅斯的21世紀第一個行星探測計畫,也是前蘇聯到現今的俄羅斯,有史以來最大的太陽系探測器,主要目標是火星兩顆衛星之一的火衛一(Phobos);太空船上還搭載了主要由中國製作的「螢火」探測器,預計2014年將火衛一樣本帶回地球。

這艘太空船於臺北時間2011年11月9日凌晨4:16,以相對於赤道約51.4的軌道傾角,利用Zenit 2SB火箭發射升空。然而卻在第二節火箭脫離後,無法點燃太空船的引擎以便更換到高軌道、再繼續進入繞日的行星際軌道,太空船被迫停留在環繞地球的低橢圓軌道上,近地點約在地表上空207公里,遠地點約349公里高。

在環繞地球一圈之後,俄羅斯太空局Baikonur追蹤站(Baikonur Tracking Station)就接收不到太空船或搭載火箭所傳回的電波訊號,但一直沒有公布發射失敗的訊息。一位著名的衛星觀測者Ted Molczan於8:05報告說他觀測到這個太空船始終沒有如預期的改變軌道。由於這個任務設計的方式是按設定程式自動啟動點燃引擎的工作序列,無法繼續點燃,等於無法繼續下一步飛出地球系統的動作,這個任務失敗的消息才因而傳開。

An independent satellite tracker Thierry Legault took a clearest image to date of the Phobos-Grunt spacecraft (center) on the new year, Jan. 1, 2012. 隨後,各國太空中心加入追蹤行列,澳洲、亞洲、歐洲一些地面電波天文臺陸續接受到似乎來自Phobos-Grunt的電波訊號,有些地面觀測者甚至拍到它的影像,任務控制中心和俄羅斯軍方也終於能持續追蹤Phobos-Grunt太空船以及已脫離的火箭的軌道狀態。由於本季前往火星的「發射窗口」在11/20結束,錯過這個時機,太空船前往火星的難度將增加許多,以Phobos-Grunt太空船上的現有燃料與軌道而言,幾乎不可能達成任務了,因此任務中心終於決定放棄嘗試要太空船再度點火前往火星的念頭。

地球低軌上沒有動力的太空船,大氣摩擦力並不大,按理來說可在這個軌道上待個數十年沒問題;但Phobos-Grunt的軌道卻從11/14開始改變,改變原因不明,專家推測可能是飛行器的氣體不斷外洩的結果。這個現象在11/21停止,之後的軌道狀況便一如預測的緩緩降低。

在11/27~29期間,有個物體從Phobos-Grunt分離,被編號為G物體(Object-G),體積相當小,直徑約僅10公分,重量約0.3~0.5公斤。11/30又有另一個物體分離,編號為H物體(Object-H),專家對此物體的性質並不了解,但從軌道特性來看,應該與G物體類似。兩物體都從Phobos-Grunt漂離,之後軌道降得很快,兩者均已進入地球大氣,G物體在11/29、H物體在12/2落回地球。當時因這兩個碎片都很小,對地面威脅不大,因此並未對全球發出警報。


火衛一(Phobos)

火星有2顆衛星,火衛一(Phobos)和火衛二(Deimos),其中火衛一比火衛二大一些。這兩顆衛星其實都不大,科學家推測可能是行經火星附近、被火星重力捕捉的小行星。

火衛一發現於1877年,直徑約22公里,和我們熟知的圓球形月亮不同,火衛一的形狀如同馬鈴薯般是不規則的。它的表面反照率非常低,只有0.071左右,也就是說照射到火衛一表面的陽光,只有7.1%會反射回太空中,使得火衛一表面看起來很暗,性質接近太陽系中的D型小行星。它距離火星中心點只有9,377公里,以火星平均半徑3,397公里來看,算是非常接近火星表面的衛星;事實上,它是太陽系中最接近行星的衛星呢!(比較:地球中心到月球的平均距離是384,400公里左右)而另一個特徵是它繞火星公轉的軌道是「逆行的」,也就是說與火星自轉方向相反,所以在火星表面觀看火衛一的話,將會看到「西升東落」的狀況。

資料來源:

  1. http://www.russianspaceweb.com/phobos_grunt_reentry.html
  2. http://www.spaceflight101.com/phobos-grunt-re-entry-information.html
  3. Russia’s lost Phobos-Grunt to fall in Afghanistan – U.S. military
  4. Hope lost for Fobos-Grunt – likely to re-entry early in New Year
  5. http://en.wikipedia.org/wiki/Phobos_(moon

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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