分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

艱難的火星探謎之旅

2013/7/12 :感謝留言夥伴指正,本文多處錯誤之處已經更正。(P)

 

文 / 魏雄能(任教聖地牙哥城市學院)

美國國家航空暨太空總署(NASA)的好奇號(Curiosity),經歷八個半月的漫長旅程,於2012 年8 日6 日成功地著陸火星。長久以來,美國航太總署一直籠罩在大幅削減預算的低靡氣氛之中。這次的火星探謎之旅,終能得以揚眉吐氣。

登陸火星,到底有多困難呢?首先,來談談火星與地球間的距離。如以光行距離的時間來表述,則會看到比較實際的數字。一秒鐘的時間,光可以繞行地球表面七圈半,這與地球到月球的距離相接近。從地球到太陽表面,光行時間約需八分鐘,亦即約為地球到月亮距離的500 倍。

火星與地球間的距離,會隨著兩者繞日運行的相對位置而變化。最遠的光行距離是22 分鐘,最近的光行距離是3 分鐘。這一趟好奇號火星探謎之旅,兩星球間相距15 分鐘的光行距離,也就是到月亮的行程的900 倍左右。哇,真遠!

以上,只是從距離的觀點來看。倘若從技術上來看,那將會有多困難呢?我不是太空專家,無法詳細說明這一趟太空之旅。然而,根據物理力學的原理,仍然可以一窺端倪。當探測飛行器抵達火星預定的軌道時,它的速度、飛行角度、與火星間的距離及在軌道中所受的火星引力,都必須遵守牛頓的力學定律。如此,火星引力方能剛好抓住飛行體,使它在預定的軌道上,環繞火星飛行。

若火星引力過強,則飛行體將會墜向火星。反之,若引力稍弱, 則會抓不住飛行體,使得飛行體遠離火星而去,奔向無垠浩瀚的太空。試想,一旦此情況發生時,遠在地球的太空控制中心可否即時地發出訊號,來調整飛行器的狀態呢?很抱歉,遠水難救近火!訊號一來一回之間,約需半個小時,太久了!所以,一切都要依靠飛行器本身的軟、硬體,即時自行搶救、迅速處理。

從以往的火星探謎之旅,也能體會進行火星之旅的困難程度。1960 年初期,火星探謎之旅展開了序幕。而且,還是蘇聯先發動的。到了1971 年,在十一個年頭中總共嘗試了11 次。基於種種原因,無奈一一鎩羽而歸。事實上,根本就是「有去無歸」。1971 年,好不容易成功地送上一枚繞行火星的飛行器,也將登陸車送上了火星。然而,登陸車僅僅存活了短短的20 秒鐘,就香消玉殞了。1973 年,蘇俄太空總署又送上一枚繞行火星的飛行器,終於傳回了60 張照片。很不幸地,此枚飛行器的壽命也只維持了短短的九天,就一命嗚呼了!直到1996 年為止,先後又嘗試了數次的火星探謎之旅,依然是全軍皆墨、灰頭土臉!

運送探測器上火星有多難呢?運送探測器上火星要比送上月球艱難的多。從歷史上送探測器上月球的例子,可以一窺其難度。從1961年開始,這些飛往月球的探測器,先後命名為 Ranger 1、2、……、6。起先Ranger 1、2探測器是繞著月球軌道運行。然後從Ranger 3開始「自殺」式地(受制於月球引力)朝著月球壯烈地衝去,有些像日本的神風(Kamikaze)特攻隊!在俯衝的過程中,攝影機拍攝月球的容貌,並將照片送回地球。。前六架「自殺機」,全都壯志未酬身先死,常使NASA 淚滿襟!直到第七架自殺機「Ranger 7」,在墜毀之前,成功地傳回7000 多張照片。

NASA 在興高采烈之餘,一直在思索著;這一回為什麼能夠這麼順利呢?不久,有人發現,當Ranger 7不顧一切地向著月球投懷送抱之時,月球任務控制中心的一位工作人員不停地在啃花生,企圖壓制著他緊張的心情。大家推測,大概就是這不尋常的舉止,帶來了好兆頭。從此以後,每一回當執行外太空任務時,都會有人帶花生來啃,而且不會有人反對!

在火星軟著陸的困難度比在地球上要大到百倍以上,為何會如此呢?火星的大氣不像地球,有氧、氮及充沛的水氣,以及厚厚的大氣層。由於火星體輕、引力弱,故其大氣層的厚度非常的薄弱。因此,需要到達很低空時,降落傘才能起用。不但浮力微弱,而且能開傘的時間也太短,遂使軟著陸的工作變成一項極為艱難的挑戰。

在火星引力的作用下,好奇號持續地迅速向著火星飛奔而去。當好奇號抵達火星大氣層的頂端時,其速度已經達到每秒5.9 公里,它是現代步槍子彈剛出槍口時速度(每秒1.2公里)的五倍多。倘若再加上好奇號本身如汽車般的質量,那麼欲使它在到達火星表面前減速到零,真是一項挑戰性極高的工程技術。

2004 年,著陸火星的登陸車精神號(rover Spirit),它是包裹在一個巨大的氣球內。在著陸的過程,採用減速傘。待接觸火星表面時,運用氣球多次彈性碰撞的方式,成功地著陸。精神號最後一次與地球通訊的時間是在2010 年,此後便失去了聯絡,這比太空總署所預估的壽命長了20 倍。2011 年,太空總署終於放棄嘗試使它復甦。並且,還一本正經地為它舉辦了一次告別儀式,猶如對待一位忠貞的烈士。

想像圖:啟動制動火箭懸浮在空中的飛行器,正在垂降好奇號探測車。圖片來源:美國航太總署火箭推進實驗室。

以往的火星登陸車,好像微波爐般大小。然而,這一次的好奇號,體大質量重,好比一輛多功能的箱式跑車(sport-utility vehicle, SUV)。因此,不能夠故技重施,採用彈跳的方式著陸,使得軟著陸的困難度大大地增加。此番,太空總署採用了一連串的手法。整個著陸的過程,像極了耍特技,一招招的亮出。只要其間任何一個小環節出錯,就會全盤皆輸。成功著陸時,難怪那些控制中心的人員會像小孩子般高興得又蹦又跳。局外人很難體會他們一路走來的艱辛,以及成功的喜悅。好奇號登陸成功之際,恰逢美國經濟危機。一位記者在報刊上感嘆地寫道:美國有這麼多絕頂聰明的科學家與工程師,完成了如此艱巨的任務,為什麼簡單的國家經濟問題卻束手無策呢?

除了美蘇兩國之外,日本於1998 年也嘗試過一次火星之旅,但飲恨失敗。2003 年,歐洲太空總署(European Space Agency, ESA)也嘗試過。雖然飛行器成功地繞行火星飛行,但是登陸車依舊失敗。

軟著陸
指飛行器或火箭以不會損害本身機體和陸地的方式登陸,相對於「硬著陸」以衝撞或墜落方式著陸,是比較溫和、穩定的登陸模式,但困難度也較高。

原刊載於 科學月刊 第四十四卷第六期

2013/7/12 :感謝留言夥伴指正,本文多處錯誤之處已經更正。

關於作者

科學月刊

非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。