現(xiàn)任美國航天總署(NASA)總部資深技術(shù)顧問兼太空任務(wù)科學(xué)家

人類最近送上去一系列月球探測器。其中，繞月球軌道飛行照相最為普遍，特意往月球表面上撞的也不少。

從人類文明史看來，月亮應(yīng)是給人欣賞的?！芭e杯邀明月，對(duì)影成三人”，孤單中有浪漫，熱情中含悲愴。曾幾何時(shí)，再望明月，詩意愁腸竟已蕩然無存。并非明月不再引起千里共嬋娟的情懷，而是月球三天兩頭被人類的飛行器碰撞，早已鼻青臉腫，瘡痍滿目，美顏不再，竟至不堪一顧了。

人類現(xiàn)在如此積極地撞月，也是萬般無奈：政治壓力太大，不得已而為之。此為后話。

撞月的主要目的是要把月表下的東西翻出來看看。撞月又是美國帶了頭，并揚(yáng)言要在2018年重返月球，建立前哨站，登月蹲點(diǎn)長期駐扎。長駐就得先解決水源問題?？茖W(xué)家認(rèn)為，月球南北極地下應(yīng)有“水冰”（water ice）礦，是40多億年前，太陽系隕石風(fēng)暴期間由大批彗星和小隕石帶進(jìn)來的，現(xiàn)在還應(yīng)趴在月表下，別來無恙。

撞月之第一目的，就是要把這個(gè)水冰礦炸開一角，激起水冰碎片甚或水氣，十里長柱，好讓繞月衛(wèi)星上的儀器仔細(xì)分析，看看煙硝漫塵中到底有無氫二氧(H2O)，也就是水。

當(dāng)然，在那些激起的灰塵中，還能看到組成月表的其它重要成份和化學(xué)分子。在月球長住的人類除了需要水，還需要氧氣。月球有制造氧氣的原料嗎？另外，人類在本世紀(jì)必得開發(fā)各類綠色能源。氦3原子間的核聚能是重要的綠色能源之一。氦3主要來自太陽風(fēng)（solar wind）。地球有巨大磁場保護(hù)，太陽風(fēng)不得而入，以致地球上氦3蘊(yùn)藏量極微。月球幾近無磁場可言，太陽風(fēng)長驅(qū)直入，經(jīng)過40多億年的沉積，專家認(rèn)為月球表層數(shù)米內(nèi)的氦3含量近百萬噸。人類想經(jīng)撞月手段證實(shí)，月球上的氦3蘊(yùn)藏量果真如理論計(jì)算出來的那么豐富嗎？

21世紀(jì)初期，人類已把美麗凄艷的月神摧毀。月球只是一個(gè)無大氣無氧無水的生命絕地。人類原本老大不愿意再去月球折騰，但政客承受不了政治壓力，只得從匆忙上馬的“回月球，去火星”的太空策略中，尋求舒解。

舒壓

美國1969年登月，擊敗“魔鬼帝國”蘇聯(lián)，取得冷戰(zhàn)勝利，登上科技龍頭老大寶座，意氣飛揚(yáng)！放出大話，“月球已去過，事情也辦完”（been there， done that）。月球已被征服，下一站該是火星，甚至是木星的衛(wèi)星歐羅巴（Europa）。歐羅巴擁有上百公里深的海洋，說不定有鯊魚在里頭翻騰呢？

登月后的美國，在越戰(zhàn)的煉獄中煎熬，迅速由月球全面撤退，舒解軍費(fèi)壓力。省錢歸省錢，但20萬太空科技人員要保住，不能流失，導(dǎo)致“航天飛機(jī)，太空站”計(jì)劃出爐。美國人帶頭，15個(gè)國家跟進(jìn)，人類在低地球太空軌道（low earth orbit，LEO）轉(zhuǎn)呀轉(zhuǎn)地，一恍忽悠了30多年。2003年2月1日，“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)在返航進(jìn)入大氣層時(shí)解體，人機(jī)俱毀。這是航天飛機(jī)第二次空難。航天飛機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，維修困難，更何況其任務(wù)只是送航天員到近太空軌道中的太空站打轉(zhuǎn)玩耍，讓美國老百姓過科技老大干癮。實(shí)情是太空站科技內(nèi)涵貧乏，航天飛機(jī)的飛行又危險(xiǎn)重重，很難獲得學(xué)術(shù)和政治界全力支持。

布什政權(quán)的太空站計(jì)劃玩不下去了。

同年秋季，中國挾“神舟五號(hào)”余威，開始熱烈討論中國未來的登月計(jì)劃。布什一看，機(jī)會(huì)來了。美國可不能把月球這塊地盤讓給中國，得在中國之前趕回月球。再加點(diǎn)碼，就說這次回月球是為去火星鋪路。美國“回月球，去火星”新太空策略就是在這樣的背景下，于2004年1月匆忙上馬。

說穿了，布什的新太空策略，骨子里并不是真的要“回月球、去火星”，而是從航天飛機(jī)、太空站脫身的障眼法而已。外加美國鷹派一直想用“中國威脅論”來嚇唬美國老百姓。中國送來的這個(gè)大紅包，剛好讓美國天衣無縫地由“國際太空站”金蟬脫殼。大哥不玩太空站了，小弟們傻了眼。大哥怎么不講義氣把我們甩了？但大哥又鼓動(dòng)我們?nèi)ピ铝痢]轍，只好無奈追隨。

既然要去月球長期蹲點(diǎn)，頭等大事就是找水源，找水就得先撞月。美國在1990年代無主題地撞過兩次（Clementine 1994 和Lunar Prospector 1998），歐洲“智能一號(hào)（Smart 1）” 2003年跟進(jìn)，緊接著印度的“撞月探測器”（Moon Impact Probe 2008）和中國的“嫦娥一號(hào)”（2009）也完成撞月動(dòng)作。美國重量級(jí)的撞月船（LCROSS， 2009）即刻又要出發(fā)，日本的“月亮女神號(hào)”（SELENE）也將在2009年底前撞月。

在美國主導(dǎo)下，各國撞月此起彼伏。人類這股撞月風(fēng)，在未來幾年，恐將越刮越猛。

月球

雖然月球近幾年被撞得鼻青臉腫，但月球本身其實(shí)就是撞出來的。

人類對(duì)月球形成的理解，經(jīng)過好幾度思維革命。最早的理論認(rèn)為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為證。這理論很快就被推翻了，因?yàn)椤八Α边@個(gè)動(dòng)作需要很大的離心力，而地球從來沒自轉(zhuǎn)過那么快，甩不出東西的。

既然地球甩不出月球，那月球應(yīng)該是從外地來的，路過地球，被地球引力逮個(gè)正著。這個(gè)理論也有漏洞。月球的個(gè)頭太大，路過地球附近如無“剎車”機(jī)制，地球引力哪怕用盡吃奶的力恐怕也逮不著它。剎車只有靠地球的大氣層。但地球大氣層厚度太薄，伸不到那么遠(yuǎn)去剎月球的車。

另一種說法是月球和地球使用相同的原始素材，同時(shí)在太陽軌道上形成。這個(gè)理論的缺陷是地球和月球兩個(gè)天體的組成成份相差太遠(yuǎn)，地球基本上是個(gè)大鐵球，而月球含鐵量甚微，兩個(gè)球體基因不同，不可能由相同原始材料構(gòu)成。

其實(shí)上面三個(gè)理論的最大致命傷在于地球月球這兩個(gè)天體整體旋轉(zhuǎn)的速度太高，用專家的語言來形容，就是地球月球的體系擁有巨大的“角動(dòng)量”（angular momentum）。

目前月球形成的主導(dǎo)理論說，在太陽系形成后的3~5千萬年，原始地球被一個(gè)有如火星大小的外來天體高速碰撞（圖1），挖走了部份地球材料，和部份外來天體融熔混合，形成當(dāng)今的月球。這個(gè)理論提供了巨大角動(dòng)量的來源，外加月球粗略的成份也獲得解釋。這個(gè)理論需要加強(qiáng)的是外來天體的確切大小和兩類材料的細(xì)微分布狀況。由計(jì)算器模擬演算，這個(gè)理論可能與實(shí)際情況相差不遠(yuǎn)。

這篇文章的主題是撞月。撞月就得送宇宙飛船到月球。要到月球就要知道月球的太空軌道，以及宇宙飛船航行到月球的太空軌道。

先談月球在太空的軌道。

月球形成后，它的繞地球軌道相當(dāng)樸實(shí)。粗略地說，它繞地球的軌道和地球繞太陽的軌道幾乎在同一個(gè)平面上。外加它的自轉(zhuǎn)軸的傾角也很?。s5度），很像一個(gè)垂直旋轉(zhuǎn)的陀螺，不像地球有23.5度的傾角，造成鮮明的地球四季。月球軌道在地球、水星、火星和土星等的太陽軌道上轉(zhuǎn)，從前文提到的1994年探月的克萊門坦（Clementine）衛(wèi)星上看得最清楚。在這個(gè)經(jīng)典相片中，月球被后面的地球反光照亮，從月球望去，太陽在月球的左緣，緊跟著從右到左，土星、火星和水星一字排開，皆在眾行星的太陽軌道上，為難得一見的天文景觀（圖2）。

月球形成后，重力場小，抓不住大氣，月亮就成了高真空之地。它的組成成份只有部份地表材料，鐵的含量低，又因體積小、散熱快，月球幾乎凝固到核心，不像地球，地表下有巨大的鐵漿流，形成龐然的地磁屏障，阻擋外層空間的高能粒子和宇宙射線進(jìn)入，太陽風(fēng)帶來的各類高能粒子也被折彈轉(zhuǎn)向，難入奧堂。相比之下，月球可以說是門戶大開，毫無設(shè)防，各類宇宙射線、高能粒子照單全收。尤其是由家門口太陽吹過來的太陽風(fēng)，里頭的氫、氦、鋰和重金屬離子，更是來者不拒，45億多年下來，沉積存量大，尤其在兩極地區(qū)，大多只進(jìn)不出，打造成月球?yàn)樘栂笛莼瘮?shù)據(jù)的聚寶盆和檔案庫。

還有，太陽系形成后，經(jīng)歷了7億年之久的隕石風(fēng)暴。巔峰期，數(shù)十、上百公里直徑的彗星隕石，挾帶上億噸水份，撞擊地球月球和其它行星，在地球形成了澎湃的海洋，在月球也不應(yīng)差到那去。只是月球重力場低，又無大氣層，即使彗星帶來再多的水，也幾乎是隨到隨蒸發(fā)，消失于太空，尤其在月球的赤道地帶，因自轉(zhuǎn)軸傾角低，太陽幾近直射，高溫深透月表，水能在月球存留的機(jī)會(huì)微忽其微。

但有兩個(gè)地方可能是例外。

月球的南北極，因月球的自轉(zhuǎn)軸傾角極低，有些地方永不見陽光。這也就是說，自月球形成后45億多年，月球的南北極部份地盤永遠(yuǎn)黑暗。恒久的黑夜帶來了恒久的低溫。從理論上來說，隕石風(fēng)暴的7億年間，帶水的彗星隕石撞擊月球，應(yīng)從四面八方360度全方向而來，所以月球的南北極也會(huì)被彗星隕石碰撞。外來天體速度高，碰撞后鉆入月表數(shù)十、上百公尺，在永無日照極低溫下，這些月表底下的水冰就可能存留下來。

所以，撞月找水源，月球南北極為首選。精心策劃的撞月任務(wù)，應(yīng)專門向南北極永凍之地撞去才有意義。

月球?qū)Φ厍蛑陵P(guān)緊要。地球潮汐的產(chǎn)生、生命的起源，與月球息息相關(guān)，是另一篇大文章，在此不談，只說產(chǎn)生潮汐要消耗能量，這個(gè)能量由地球自轉(zhuǎn)能量提供。每年為供應(yīng)地球潮起潮落的能量，地球自轉(zhuǎn)速度變慢，造成月球要遠(yuǎn)離地球3.8厘米。幾十億年后，終有那么一天，月球?qū)⒚撾x地球重力場的掌控，一去不還。

軌道

月球是離地球最近的一個(gè)天體。近歸近，離地球還是有38萬多公里，以越洋民航機(jī)的速度，單程要繼飛15天左右，才能抵達(dá)。送宇宙飛船去月球，要更講究些，得使用最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠省燃料的軌道。

一般宇宙飛船在太空飛行，皆采用赫曼轉(zhuǎn)移軌道（Hohmann transfer orbit）。這類軌道的原理甚為簡單，基本上是由一個(gè)小圓形軌道，在某特定點(diǎn)加速成一個(gè)大圓形軌道，然后再在這個(gè)大圓形軌道某定點(diǎn)再加速到另一個(gè)更大的圓形軌道。這樣一次又一次增加軌道半徑，節(jié)節(jié)拔高，宇宙飛船就離地球越來越遠(yuǎn)，越飛越高，一直飛到目的地高度為止。

舉個(gè)送衛(wèi)星到地球同步軌道的例子。同步軌道，顧名思義，就是在這個(gè)軌道上的衛(wèi)星每24小時(shí)繞地球一周，從地面望去，這顆衛(wèi)星對(duì)地面不動(dòng)，形成“同步”現(xiàn)象。這類軌道在地球赤道上空，是商業(yè)通訊衛(wèi)星工作之位置。

送衛(wèi)星到同步軌道，火箭先借點(diǎn)地球自轉(zhuǎn)速度的幫助，朝東發(fā)射，進(jìn)入小圓形軌道A，在小圓形軌道P1點(diǎn)加速，進(jìn)入一個(gè)較大圓形軌道B，最后在B軌道的P2點(diǎn)加速，進(jìn)入24小時(shí)周期的同步軌道C（圖3）。

去月球，軌道設(shè)計(jì)略復(fù)雜些，但不出重復(fù)使用赫曼轉(zhuǎn)移軌道概念。以“嫦娥一號(hào)”奔月軌道為例（圖4），長征火箭先將嫦娥衛(wèi)星送進(jìn)一個(gè)周期為18小時(shí)的橢圓形軌道。這類軌道一邊離地球僅數(shù)百公里，通訊聯(lián)絡(luò)校檢衛(wèi)星功能儀器方便。一切指標(biāo)正常后，在近地點(diǎn)加速，將衛(wèi)星甩到一個(gè)24小時(shí)周期的大橢圓形軌道，再檢校儀器健康指數(shù)，一切正常后，在近地點(diǎn)將衛(wèi)星加速轉(zhuǎn)移到一個(gè)48小時(shí)周期軌道，再檢驗(yàn)健康狀態(tài)。如果一切正常，則在近地點(diǎn)猛加速，使“嫦娥一號(hào)”有足夠速度，約每秒11.2公里，脫離地球引力控制，進(jìn)入一個(gè)需為時(shí)116個(gè)小時(shí)旅程抵月的地月轉(zhuǎn)移軌道，奔向月球。

“嫦娥一號(hào)”抵達(dá)月球后，要減速到每秒2.38公里以下，才能被月球較弱的引力捕捉住。所以嫦娥在抵月前，遠(yuǎn)遠(yuǎn)就要打開反向火箭剎車減速。一般探月衛(wèi)星，像地球上的軍事衛(wèi)星一樣，最好進(jìn)入兩極軌道，軌跡才能覆蓋整個(gè)月表。上文細(xì)說過月球軌道特性?！版隙鹨惶?hào)”要進(jìn)入月球兩極軌道，得使用燃料轉(zhuǎn)向，將軌道平面轉(zhuǎn)90度，先進(jìn)入一個(gè)12小時(shí)周期的大橢圓形軌道，檢查衛(wèi)星健康狀況，一切ok，在近月點(diǎn)減速，進(jìn)入一個(gè)3.5小時(shí)周期的小橢圓形軌道，再做最后校檢，一切符合指標(biāo)后，再在近月點(diǎn)減速，最后進(jìn)入一個(gè)200公里高度的兩極圓形任務(wù)軌道，開始操作。

撞

1994年美國探月衛(wèi)星克萊門坦（Clementine）的主要任務(wù)是月表照相，但從它在兩極的雷達(dá)波反射數(shù)據(jù)推演，好像有些水冰存在的蛛絲馬跡。在這個(gè)“情人眼中出西施”的一廂情愿的導(dǎo)引下，美國在1998年再送上另一個(gè)“月球探測衛(wèi)星”（Lunar Prospector），特別設(shè)計(jì)了最后在南極的撞擊任務(wù)，可惜沒能激起足夠灰燼，任務(wù)以失敗告終。歐洲“智能一號(hào)（Smart 1）”2003年再接再勵(lì)，這次撞出的月表灰塵夠多，但不幸碰撞地點(diǎn)在南緯35度位置，只能得到一些月塵成份數(shù)據(jù)，與水冰掛不上鉤。印度的“撞月探測器”（Moon Impact Probe ）在2008年11月14日正確撞上了南極最理想位置沙克爾頓（Shackleton）隕石坑，并有配套的軌道衛(wèi)星從空中實(shí)況紀(jì)錄。但這次碰撞能量太低，像小老鼠撓癢一樣，無可用數(shù)據(jù)。

沙克爾頓隕石坑是美國在月球建立前哨站的首選地點(diǎn)，在這附近一定得找到大量水冰，否則美國回月球長駐計(jì)劃很難玩下去。

中國的“嫦娥一號(hào)”在2009的3月1日也完成撞月動(dòng)作（圖5）。但碰撞地點(diǎn)幾乎正在赤道上?！版隙鹨惶?hào)”的主要任務(wù)是月表照相，取得了前所未有的數(shù)據(jù)。但撞月這塊，好像是臨時(shí)起意的，有點(diǎn)不撞白不撞的感覺。所以，嫦娥撞月后，并沒有像印度一樣，有配套的軌道衛(wèi)星在旁紀(jì)錄，僅能依賴遠(yuǎn)在河北興隆國家天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡觀測，有美中不足之憾（圖6）。

美國重量級(jí)的“月球隕石坑探測衛(wèi)星”（Lunar Crater Observation and Sensing Satellite，LCROSS）即刻就要出發(fā)。這艘精心設(shè)計(jì)的撞月船由“月球偵測軌道衛(wèi)星”（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）攜帶，抵月后，兩星分離，開始準(zhǔn)備撞月，動(dòng)作分兩階段完成。撞月地點(diǎn)死鎖為兩極之一，至于是南極或北極，要看發(fā)射時(shí)地球、月球和太陽三個(gè)天體間的相對(duì)位置。在精確的導(dǎo)航下，美國這次也把燃料用盡的火箭廢殼用上，先行撞月，LCROSS先觀察激起的灰塵，完成數(shù)據(jù)分析，上傳給LRO后，自身在4分鐘后，瞄準(zhǔn)極地，沖撞下去。為了達(dá)到最佳效果，撞月角度為70度。在這個(gè)撞角下，定能激起千重塵浪。

美國近期“回月球，去火星”的進(jìn)展速度，就靠這一撞了。如果撞后水冰碎渣滿天，水氣彌漫，極地水源豐富，登月之舉則一路綠燈全開了。

日本的“月亮女神號(hào)”（SELENE）將在2009年下半年撞月，地點(diǎn)為南極的沙克爾頓隕石坑。但這次撞月，無日本

自身配套的軌道觀測衛(wèi)星紀(jì)錄，印度和美國的月球軌道衛(wèi)星可能會(huì)提供技術(shù)支持。

結(jié)語

布什的“回月球、去火星”計(jì)劃，本是從“國際太空站”脫身的權(quán)宜之計(jì)，地基建在沙灘上，背后政治支持力量薄弱。布什政權(quán)到伊拉克抓本#8226;拉登，施政理念荒謬已極。聰明睿智的奧巴馬政府，正在全面審查這個(gè)太空計(jì)劃。他會(huì)認(rèn)為美國現(xiàn)在玩命的積極登月，也是荒謬之舉嗎？

在世界金融海嘯下，他很可能放緩登月腳步。有多少錢，辦多少事（level of effort）。不用急，月球在一億年內(nèi)還跑不掉。

人類要到月球蹲點(diǎn)長駐，一定要在月球南北極找到水源。撞月是找水源必要手段?！扒逡篃o塵，月色如銀”。但這么密集撞月，月球恐已灰塵漫天，高尚貞潔不再，海誓山盟失憑，這是人類文明的巨大損失，值嗎？