撞月

　　文 / 李杰信

　　现任美国航天总署(NASA)总部资深技术顾问兼太空任务科学家

　　人类最近送上去一系列月球探测器。其中，绕月球轨道飞行照相最为普遍，特意往月球表面上撞的也不少。

　　从人类文明史看来，月亮应是给人欣赏的。“举杯邀明月，对影成三人”，孤单中有浪漫，热情中含悲怆。曾几何时，再望明月，诗意愁肠竟已荡然无存。并非明月不再引起千里共婵娟的情怀，而是月球三天两头被人类的飞行器碰撞，早已鼻青脸肿，疮痍满目，美颜不再，竟至不堪一顾了。

　　人类现在如此积极地撞月，也是万般无奈：政治压力太大，不得已而为之。此为后话。

　　撞月的主要目的是要把月表下的东西翻出来看看。撞月又是美国带了头，并扬言要在2018年重返月球，建立前哨站，登月蹲点长期驻扎。长驻就得先解决水源问题。科学家认为，月球南北极地下应有“水冰”(water ice)矿，是40多亿年前，太阳系陨石风暴期间由大批彗星和小陨石带进来的，现在还应趴在月表下，别来无恙。

　　撞月之第一目的，就是要把这个水冰矿炸开一角，激起水冰碎片甚或水气，十里长柱，好让绕月卫星上的仪器仔细分析，看看烟硝漫尘中到底有无氢二氧(H2O)，也就是水。

　　当然，在那些激起的灰尘中，还能看到组成月表的其它重要成份和化学分子。在月球长住的人类除了需要水，还需要氧气。月球有制造氧气的原料吗？另外，人类在本世纪必得开发各类绿色能源。氦3原子间的核聚能是重要的绿色能源之一。氦3主要来自太阳风(solar wind)。地球有巨大磁场保护，太阳风不得而入，以致地球上氦3蕴藏量极微。月球几近无磁场可言，太阳风长驱直入，经过40多亿年的沉积，专家认为月球表层数米内的氦3含量近百万吨。人类想经撞月手段证实，月球上的氦3蕴藏量果真如理论计算出来的那么丰富吗？

　　21世纪初期，人类已把美丽凄艳的月神摧毁。月球只是一个无大气无氧无水的生命绝地。人类原本老大不愿意再去月球折腾，但政客承受不了政治压力，只得从匆忙上马的“回月球，去火星”的太空策略中，寻求舒解。

　　舒压

　　美国1969年登月，击败“魔鬼帝国”苏联，取得冷战胜利，登上科技龙头老大宝座，意气飞扬！放出大话，“月球已去过，事情也办完”(been there, done that)。月球已被征服，下一站该是火星，甚至是木星的卫星欧罗巴(Europa)。欧罗巴拥有上百公里深的海洋，说不定有鲨鱼在里头翻腾呢？

　　登月后的美国，在越战的炼狱中煎熬，迅速由月球全面撤退，舒解军费压力。省钱归省钱，但20万太空科技人员要保住，不能流失，导致“航天飞机，太空站”计划出炉。美国人带头，15个国家跟进，人类在低地球太空轨道(low earth orbit，LEO)转呀转地，一恍忽悠了30多年。2003年2月1日，“哥伦比亚号”航天飞机在返航进入大气层时解体，人机俱毁。这是航天飞机第二次空难。航天飞机系统复杂，维修困难，更何况其任务只是送航天员到近太空轨道中的太空站打转玩耍，让美国老百姓过科技老大干瘾。实情是太空站科技内涵贫乏，航天飞机的飞行又危险重重，很难获得学术和政治界全力支持。

　　布什政权的太空站计划玩不下去了。

　　同年秋季，中国挟“神舟五号”余威，开始热烈讨论中国未来的登月计划。布什一看，机会来了。美国可不能把月球这块地盘让给中国，得在中国之前赶回月球。再加点码，就说这次回月球是为去火星铺路。美国“回月球，去火星”新太空策略就是在这样的背景下，于2004年1月匆忙上马。

　　说穿了，布什的新太空策略，骨子里并不是真的要“回月球、去火星”，而是从航天飞机、太空站脱身的障眼法而已。外加美国鹰派一直想用“中国威胁论”来吓唬美国老百姓。中国送来的这个大红包，刚好让美国天衣无缝地由“国际太空站”金蝉脱壳。大哥不玩太空站了，小弟们傻了眼。大哥怎么不讲义气把我们甩了？但大哥又鼓动我们去月亮。没辙，只好无奈追随。

　　既然要去月球长期蹲点，头等大事就是找水源，找水就得先撞月。美国在1990年代无主题地撞过两次(Clementine 1994 和Lunar Prospector 1998)，欧洲“智能一号(Smart 1)” 2003年跟进，紧接着印度的“撞月探测器”(Moon ImpactProbe 2008)和中国的“嫦娥一号”(2009)也完成撞月动作。美国重量级的撞月船(LCROSS, 2009)即刻又要出发，日本的“月亮女神号”(SELENE)也将在2009年底前撞月。

　　在美国主导下，各国撞月此起彼伏。人类这股撞月风，在未来几年，恐将越刮越猛。

　　月球

　　虽然月球近几年被撞得鼻青脸肿，但月球本身其实就是撞出来的。

　　人类对月球形成的理解，经过好几度思维革命。最早的理论认为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为证。这理论很快就被推翻了，因为“甩”这个动作需要很大的离心力，而地球从来没自转过那么快，甩不出东西的。

　　既然地球甩不出月球，那月球应该是从外地来的，路过地球，被地球引力逮个正着。这个理论也有漏洞。月球的个头太大，路过地球附近如无“刹车”机制，地球引力哪怕用尽吃奶的力恐怕也逮不着它。刹车只有靠地球的大气层。但地球大气层厚度太薄，伸不到那么远去刹月球的车。

　　另一种说法是月球和地球使用相同的原始素材，同时在太阳轨道上形成。这个理论的缺陷是地球和月球两个天体的组成成份相差太远，地球基本上是个大铁球，而月球含铁量甚微，两个球体基因不同，不可能由相同原始材料构成。

　　其实上面三个理论的最大致命伤在于地球月球这两个天体整体旋转的速度太高，用专家的语言来形容，就是地球月球的体系拥有巨大的“角动量”(angular momentum)。

　　目前月球形成的主导理论说，在太阳系形成后的3~5千万年，原始地球被一个有如火星大小的外来天体高速碰撞(图1)，挖走了部份地球材料，和部份外来天体融熔混合，形成当今的月球。这个理论提供了巨大角动量的来源，外加月球粗略的成份也获得解释。这个理论需要加强的是外来天体的确切大小和两类材料的细微分布状况。由计算器模拟演算，这个理论可能与实际情况相差不远。

　　这篇文章的主题是撞月。撞月就得送宇宙飞船到月球。要到月球就要知道月球的太空轨道，以及宇宙飞船航行到月球的太空轨道。

　　先谈月球在太空的轨道。

　　月球形成后，它的绕地球轨道相当朴实。粗略地说，它绕地球的轨道和地球绕太阳的轨道几乎在同一个平面上。外加它的自转轴的倾角也很小(约5度)，很像一个垂直旋转的陀螺，不像地球有23.5度的倾角，造成鲜明的地球四季。月球轨道在地球、水星、火星和土星等的太阳轨道上转，从前文提到的1994年探月的克莱门坦(Clementine)卫星上看得最清楚。在这个经典相片中，月球被后面的地球反光照亮，从月球望去，太阳在月球的左缘，紧跟着从右到左，土星、火星和水星一字排开，皆在众行星的太阳轨道上，为难得一见的天文景观(图2)。

　　月球形成后，重力场小，抓不住大气，月亮就成了高真空之地。它的组成成份只有部份地表材料，铁的含量低，又因体积小、散热快，月球几乎凝固到核心，不像地球，地表下有巨大的铁浆流，形成庞然的地磁屏障，阻挡外层空间的高能粒子和宇宙射线进入，太阳风带来的各类高能粒子也被折弹转向，难入奥堂。相比之下，月球可以说是门户大开，毫无设防，各类宇宙射线、高能粒子照单全收。尤其是由家门口太阳吹过来的太阳风，里头的氢、氦、锂和重金属离子，更是来者不拒，45亿多年下来，沉积存量大，尤其在两极地区，大多只进不出，打造成月球为太阳系演化数据的聚宝盆和档案库。

　　还有，太阳系形成后，经历了7亿年之久的陨石风暴。巅峰期，数十、上百公里直径的彗星陨石，挟带上亿吨水份，撞击地球月球和其它行星，在地球形成了澎湃的海洋，在月球也不应差到那去。只是月球重力场低，又无大气层，即使彗星带来再多的水，也几乎是随到随蒸发，消失于太空，尤其在月球的赤道地带，因自转轴倾角低，太阳几近直射，高温深透月表，水能在月球存留的机会微忽其微。

　　但有两个地方可能是例外。

　　月球的南北极，因月球的自转轴倾角极低，有些地方永不见阳光。这也就是说，自月球形成后45亿多年，月球的南北极部份地盘永远黑暗。恒久的黑夜带来了恒久的低温。从理论上来说，陨石风暴的7亿年间，带水的彗星陨石撞击月球，应从四面八方360度全方向而来，所以月球的南北极也会被彗星陨石碰撞。外来天体速度高，碰撞后钻入月表数十、上百公尺，在永无日照极低温下，这些月表底下的水冰就可能存留下来。

　　所以，撞月找水源，月球南北极为首选。精心策划的撞月任务，应专门向南北极永冻之地撞去才有意义。

　　月球对地球至关紧要。地球潮汐的产生、生命的起源，与月球息息相关，是另一篇大文章，在此不谈，只说产生潮汐要消耗能量，这个能量由地球自转能量提供。每年为供应地球潮起潮落的能量，地球自转速度变慢，造成月球要远离地球3.8厘米。几十亿年后，终有那么一天，月球将脱离地球重力场的掌控，一去不还。

　　轨道

　　月球是离地球最近的一个天体。近归近，离地球还是有38万多公里，以越洋民航机的速度，单程要继飞15天左右，才能抵达。送宇宙飞船去月球，要更讲究些，得使用最经济实惠省燃料的轨道。

　　一般宇宙飞船在太空飞行，皆采用赫曼转移轨道(Hohmann transfer orbit)。这类轨道的原理甚为简单，基本上是由一个小圆形轨道，在某特定点加速成一个大圆形轨道，然后再在这个大圆形轨道某定点再加速到另一个更大的圆形轨道。这样一次又一次增加轨道半径，节节拔高，宇宙飞船就离地球越来越远，越飞越高，一直飞到目的地高度为止。

　　举个送卫星到地球同步轨道的例子。同步轨道，顾名思义，就是在这个轨道上的卫星每24小时绕地球一周，从地面望去，这颗卫星对地面不动，形成“同步”现象。这类轨道在地球赤道上空，是商业通讯卫星工作之位置。

　　送卫星到同步轨道，火箭先借点地球自转速度的帮助，朝东发射，进入小圆形轨道A，在小圆形轨道P1点加速，进入一个较大圆形轨道B，最后在B轨道的P2点加速，进入24小时周期的同步轨道C(图3)。

　　去月球，轨道设计略复杂些，但不出重复使用赫曼转移轨道概念。以“嫦娥一号”奔月轨道为例(图4)，长征火箭先将嫦娥卫星送进一个周期为18小时的椭圆形轨道。这类轨道一边离地球仅数百公里，通讯联络校检卫星功能仪器方便。一切指标正常后，在近地点加速，将卫星甩到一个24小时周期的大椭圆形轨道，再检校仪器健康指数，一切正常后，在近地点将卫星加速转移到一个48小时周期轨道，再检验健康状态。如果一切正常，则在近地点猛加速，使“嫦娥一号”有足够速度，约每秒11.2公里，脱离地球引力控制，进入一个需为时116个小时旅程抵月的地月转移轨道，奔向月球。

　　“嫦娥一号”抵达月球后，要减速到每秒2.38公里以下，才能被月球较弱的引力捕捉住。所以嫦娥在抵月前，远远就要打开反向火箭刹车减速。一般探月卫星，像地球上的军事卫星一样，最好进入两极轨道，轨迹才能覆盖整个月表。上文细说过月球轨道特性。“嫦娥一号”要进入月球两极轨道，得使用燃料转向，将轨道平面转90度，先进入一个12小时周期的大椭圆形轨道，检查卫星健康状况，一切ok，在近月点减速，进入一个3.5小时周期的小椭圆形轨道，再做最后校检，一切符合指标后，再在近月点减速，最后进入一个200公里高度的两极圆形任务轨道，开始操作。

　　撞

　　1994年美国探月卫星克莱门坦(Clementine)的主要任务是月表照相，但从它在两极的雷达波反射数据推演，好像有些水冰存在的蛛丝马迹。在这个“情人眼中出西施”的一厢情愿的导引下，美国在1998年再送上另一个“月球探测卫星”(Lunar Prospector)，特别设计了最后在南极的撞击任务，可惜没能激起足够灰烬，任务以失败告终。欧洲“智能一号(Smart 1)”2003年再接再励，这次撞出的月表灰尘够多，但不幸碰撞地点在南纬35度位置，只能得到一些月尘成份数据，与水冰挂不上钩。印度的“撞月探测器”(Moon Impact Probe )在2008年11月14日正确撞上了南极最理想位置沙克尔顿(Shackleton)陨石坑，并有配套的轨道卫星从空中实况纪录。但这次碰撞能量太低，像小老鼠挠痒一样，无可用数据。

　　沙克尔顿陨石坑是美国在月球建立前哨站的首选地点，在这附近一定得找到大量水冰，否则美国回月球长驻计划很难玩下去。

　　中国的“嫦娥一号”在2009的3月1日也完成撞月动作(图5)。但碰撞地点几乎正在赤道上。“嫦娥一号”的主要任务是月表照相，取得了前所未有的数据。但撞月这块，好像是临时起意的，有点不撞白不撞的感觉。所以，嫦娥撞月后，并没有像印度一样，有配套的轨道卫星在旁纪录，仅能依赖远在河北兴隆国家天文台的望远镜观测，有美中不足之憾(图6)。

　　美国重量级的“月球陨石坑探测卫星”(Lunar Crater Observation and Sensing Satellite，LCROSS)即刻就要出发。这艘精心设计的撞月船由“月球侦测轨道卫星”(Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO)携带，抵月后，两星分离，开始准备撞月，动作分两阶段完成。撞月地点死锁为两极之一，至于是南极或北极，要看发射时地球、月球和太阳三个天体间的相对位置。在精确的导航下，美国这次也把燃料用尽的火箭废壳用上，先行撞月，LCROSS先观察激起的灰尘，完成数据分析，上传给LRO后，自身在4分钟后，瞄准极地，冲撞下去。为了达到最佳效果，撞月角度为70度。在这个撞角下，定能激起千重尘浪。

　　美国近期“回月球，去火星”的进展速度，就靠这一撞了。如果撞后水冰碎渣满天，水气弥漫，极地水源丰富，登月之举则一路绿灯全开了。

　　日本的“月亮女神号”(SELENE)将在2009年下半年撞月，地点为南极的沙克尔顿陨石坑。但这次撞月，无日本自身配套的轨道观测卫星纪录，印度和美国的月球轨道卫星可能会提供技术支持。

　　结语

　　布什的“回月球、去火星”计划，本是从“国际太空站”脱身的权宜之计，地基建在沙滩上，背后政治支持力量薄弱。布什政权到伊拉克抓本•拉登，施政理念荒谬已极。聪明睿智的奥巴马政府，正在全面审查这个太空计划。他会认为美国现在玩命的积极登月，也是荒谬之举吗？

　　在世界金融海啸下，他很可能放缓登月脚步。有多少钱，办多少事(level of effort)。不用急，月球在一亿年内还跑不掉。

　　人类要到月球蹲点长驻，一定要在月球南北极找到水源。撞月是找水源必要手段。“清夜无尘，月色如银”。但这么密集撞月，月球恐已灰尘漫天，高尚贞洁不再，海誓山盟失凭，这是人类文明的巨大损失，值吗？

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