[圖文]俄擬實施黑馬計畫欲在火星衛星建基地 | 陽光歷史

 

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[圖文]俄擬實施黑馬計畫欲在火星衛星建基地

2015年09月22日 宇宙奧秘-長篇 暫無評論 閱讀 191 次

俄擬實施黑馬計畫欲在火星衛星建基地(圖)
 
火衛一(左)和火衛二表面差異很大

  據美國《探索》雜誌報道,俄羅斯的「Fobos-Grunt」任務可能為在火星的怪異衛星——火衛一「弗伯斯」上建造人類第一個永久性太空基地鋪平道路。


  對於俄羅斯航天人來說,火星帶給他們的只有厄運。自1960年以來,俄羅斯共向火星發射了20顆探測器,所有這些探測器要麼最終以失敗告終,要麼遭遇嚴重的技術問題。利用「Fobos-Grunt」這個探測器,俄羅斯將執行有史以來最為雄心勃勃的無人太空任務,並試圖讓好運降臨到自己頭上。


  火星探索的理想前哨


  俄羅斯此次選定的進軍目標並不是火星,而是火衛一「弗伯斯」。「弗伯斯」是火星兩顆小衛星中體積較大的一個,也是繞火星運轉的最為怪異的天體之一。據悉,「Fobos-Grunt」(在俄語中意為「弗伯斯土壤」)不僅要在「弗伯斯」上著陸,同時還要在表面採集一些樣本並送回地球。


  瞭解「弗伯斯」能夠讓我們獲得大量有關太陽系早期歷史的信息。「Fobos-Grunt」任務首席科學家、莫斯科太空研究所的亞歷山大·扎克哈羅夫(Alexander Zakharov)表示:「它可能為我們提供有關地球衛星以及其它行星衛星形成的線索,同時瞭解小行星撞擊在影響多巖類地行星方面扮演的角色。」更為重要的是,此次太空任務能夠為制定創新性的火星探索甚至「拓殖」計畫打下良好基礎。


  「弗伯斯」與我們的月球截然不同。它是一塊形狀酷似馬鈴薯的巨石,大小只有12英里(約合19公里)×17英里(約合27公里),顏色幾乎和煤塊一樣黑。「弗伯斯」的「統治者」是一個直徑6英里(約合10公里)名為「斯蒂克尼」的隕坑,此次撞擊幾乎讓這顆小衛星粉身碎骨。


  「弗伯斯」繞火星表面上方3721英里(約合5988公里)的軌道運行——月球與地球之間的平均距離為23.9萬英里(約合38.4萬公里)。由於運行一周所需時間只有7小時39分鐘,致使「弗伯斯」上的一個月還不足一個火星日的三分之一。事實上,由於運行軌道與火星距離太近,潮汐力正慢慢導致「弗伯斯」軌道衰變。在未來幾千萬年時間裡,「弗伯斯」將撞向火星。「弗伯斯」的壽命為45億年,現在的它已經「星到晚年」。


  一顆謎一樣的衛星


  雖然在將來的某一天讓「弗伯斯」走向毀滅,但這種近距離也讓它擁有難於匹敵的吸引力,成為人類探險家一個理想的補給站。「弗伯斯」的一面始終朝向火星,對於這個「半球」來說,火星成為天空的「統治者」。這種優勢讓「弗伯斯」成為監測火星絕大多數表面的理想之選。


  更為重要的是,在「弗伯斯」上建造的任何有人前哨能夠很好地免受太空輻射侵害——火星以及「弗伯斯」都可充當保護者的角色。以「弗伯斯」為基地,人類可以利用遠程遙控機器人對火星表面進行探測,不必像美國宇航局火星車操作人員現在那樣,不得不忍受令人苦惱的10至20分鐘延遲。此外,「弗伯斯」也是用於載人火星之行的一個天然集結待命區。


  在制定打造「弗伯斯」前哨計畫前,我們需要更好地瞭解這顆衛星。當前,科學家尚無法確定「弗伯斯」究竟由什麼構成。它似乎與一種被稱之為「碳質球粒隕石」的小行星類似。這些原始天體含有生命形成所需的氨基酸,可能是由形成太陽系的物質構成的幾乎沒有發生改變的碎片。據科學家推測,大量碳質球粒隕石可能為早期地球「播種」了生物學原料。「弗伯斯」與眾不同的成分讓一些科學家得出這樣一種假設,「弗伯斯」以及火星的另一顆小衛星——火衛二「德莫斯」可能是一顆被捕獲的小行星。但這只是一種假設,得出確切結論仍需進行長期研究。


  宇航局火星探測理事會首席科學家大衛·比迪(David Beatty)表示:「『弗伯斯』是一個有趣的天體。『弗伯斯』為什麼出現在這裡以及又從何處而來仍舊是一個謎。」俄羅斯聯邦航天署希望利用「Fobos-Grunt」收集「弗伯斯」表面樣本的方式尋找這些問題的答案。在地球上進行的詳細分析將確定這些樣本的成分和年代。(「Fobos-Grunt」攜帶的儀器設備也將在「弗伯斯」進行同樣的分析。)隨著分析工作的啟動,我們將獲取有關「弗伯斯」歷史的新信息,同時進一步瞭解太陽系在形成之初的狀態。


  所需Delta-v不及往返月球


  在此次任務中,軌道力學定律將為「Fobos-Grunt」提供巨大幫助。由於太空航行的反直覺準則,「Fobos-Grunt」從地球抵達「弗伯斯」只需極少能量。在太陽系內兩顆天體間旅行所需的能量實際上與彼此間的距離沒有任何關係。真正的問題是Delta-v,即從一個軌道到另一軌道過程中太空梭飛行速度必須改變的量。Delta-v取決於離開和抵達時的引力場強度、進一步飛離或飛向太陽所需的能量以及能夠從大氣制動中獲得多少幫助。所謂的「大氣制動」是指通過穿過一顆行星大氣層的方式幫助減速。


  令人感到吃驚的是,執行在「弗伯斯」上著陸並返回的任務所需的Delta-v非常低,大約只有往返月球的80%左右。部分原因在於:「弗伯斯」的引力非常小,一次目標明確的投擲便能讓壘球飛離「弗伯斯」表面。相對於月球來說,向「弗伯斯」派遣探測器或者運送貨物是更容易做到的事情。


  但載人飛行則相對比較複雜,前往月球只有3天行程,而入主「弗伯斯」則需6個月,機組人員因此需要準備更多的食物和空氣。在火星表面著陸並重新回到軌道需要巨大的額外Delta-v,這也就意味著,相對於火星表面而言,在「弗伯斯」上維持一個前哨將是費用更低同時更為容易的一種選擇。


  收集樣本送回地球


  如果此次任務取得成功,「Fobos-Grunt」將成為第一顆探索「地球-火衛一-地球」太空高速公路的探測器。據悉,這顆重達1噸的探測器將於2010年8月或9月(假設俄羅斯按計畫進行)進入火星周圍的軌道,開始對「弗伯斯」進行遠程探測。一旦任務科學家敲定一個理想的登陸地點,「Fobos-Grunt」將於2011年3月或4月在「弗伯斯」表面著陸。


  在此之後,「Fobos-Grunt」將展開一條機械臂,開始收集風化層——表面土壤和石塊——樣本並將其送回地球。這顆探測器的主體將充當小型返回艙的發射架並永久性地留在「弗伯斯」。重233磅(約合105公斤)的返回艙將於2012年6月或7月抵達地球。屆時,返回艙將投下一個足球大小的密封艙,內有一個拇指大小裝著寶貴「弗伯斯」土壤樣本的小罐。樣本罐最終將在哈薩克斯坦一偏遠地區硬著陸。


  行星科學希望對「弗伯斯」風化層的分析能夠為瞭解這顆衛星深內部的性質點亮一盞燈,原因在於:在極為漫長的歲月變遷中,表面和內部之間會彼此「輪換」。「弗伯斯」的密度非常低,大約只有普通玄武岩的三分之二。這也就意味著,「弗伯斯」與小行星帶外側富含水的天體類似,或者是一個碎石堆並且岩石碎片之間存在很多空洞。


  美國非盈利性研究機構——火星研究院主席帕斯卡·李(Pascal Lee)表示:「研究『弗伯斯』與未來人類對火星進行探測密不可分,整個過程中最為重要的一個問題就是水。『弗伯斯』上是否有水存在,如果有的話,以何種數量和形態存在同時又位於什麼方位?找到這些問題的答案能夠幫助我們制定火星之旅計畫。」


  有關地表結構的3種假設


  「弗伯斯」的外部是一個充滿謎團的世界。其最令人吃驚的可視結構(除了巨大的「斯蒂克尼」隕坑)當屬橫跨表面的一排排隕坑鏈。「德莫斯」並不擁有任何類似結構,太空探測器迄今為止成像的6顆常規小行星中任何一顆也是如此。


  一種理論認為,隕坑可能是年代悠久的蒸汽噴發口——一場古代大災難的遺物。這場災難讓「弗伯斯」的地殼發生破裂並加熱內部,致使蒸汽向外噴發。對於未來人類造訪火星而言,這顯然是一個好消息,原因就在於標注出含水礦物質甚至被埋入地下的水冰沉積物的方位。另一項可能性相對較低的理論指出,這些洞是由潮汐力導致的裂縫,或者由致使整顆衛星收縮的撞擊形成。


  第三種理論認為隕坑鏈與古代火星遭到的撞擊有關。一些在過去「襲擊」火星的流星能量巨大,足以讓火星地殼碎片的速度遠遠超過逃逸速度——大約每秒3.1英里(約合每秒5公里)。之所以得出這種假設是因為,科學家在地球上發現了顯然來自火星的隕星,這些碎片在太陽系中漂浮而後最終在地球上降落。


  如果火星表面的一些碎片到達地球,其中很多碎片應該在逃離過程中與「弗伯斯」發生相撞。火星遭受劇烈碰撞導致大量岩石飛離母星可能形成了在「弗伯斯」上看到的隕坑鏈。據一些人估計,「弗伯斯」表面最多有10%可能由源自火星的物質構成。


  從這個角度上說,俄羅斯實施「Fobos-Grunt」計畫無疑是一項非常聰明的決定。儘管比較「低調」,但「弗伯斯」卻是太陽系中最令人著迷的所在之一。這顆衛星位置極佳,易於到達,能夠成為未來太空探索的一個天然前哨,不管這種探索是人類親自上陣還是使用探測器。如果說從地球向火星進發過程中存在一個關鍵的踏腳石,這個踏腳石無疑就是怪異的令人好奇的火衛一「弗伯斯」。


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