□ 魯暘筱懿
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□ 魯暘筱懿
科學(xué)家設(shè)想的未來(lái)月球發(fā)射場(chǎng)
月球在中國(guó)古代有玉鑒、桂宮、嬋娟等美妙的別稱,可見古時(shí)候的人們對(duì)月球的理解是多么的富有想象力。那時(shí)的人們不但對(duì)月亮的陰晴圓缺現(xiàn)象加以揣測(cè)從而提出自己的解釋,而且還幻想人類登上月球后嬉戲仙游的景象。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,人類對(duì)于地外空間尤其是月球世界的探訪欲望越發(fā)強(qiáng)烈,最終于美國(guó)東部時(shí)間1969年7月20日16時(shí)許,第一個(gè)人類的腳印被永久印在了月球靜海南部地區(qū)一塊較為平坦的區(qū)域上,自此宇航員阿姆斯特朗(Neil Alden Armstrong)的名字為世人所熟悉。人類由起源地地球跨向月球的這一步大約用了一千萬(wàn)年時(shí)間,但真正用于登月知識(shí)儲(chǔ)備到技術(shù)實(shí)現(xiàn)卻是從伽利略利用單筒望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)觀測(cè)月球后的300多年時(shí)間。成功登月標(biāo)志著,人類已完成了由地球搖籃里的襁褓向外層空間蹣跚學(xué)步的“宇宙孩提”轉(zhuǎn)變。而對(duì)于月球這樣一個(gè)低重力、幾近真空且晝夜溫差較大的環(huán)境,我們?nèi)祟惪梢栽谀抢镒鲂┦裁茨兀?/p>
作為地球唯一的衛(wèi)星,月球與地球組成了一個(gè)環(huán)繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的“地月系統(tǒng)”。系統(tǒng)內(nèi)外蘊(yùn)含著巨大的天體力學(xué)能量以及豐富的科學(xué)實(shí)驗(yàn)資源。未來(lái),利用月球礦產(chǎn)資源在月球上建立火箭生產(chǎn)線并在月球表面建立火箭發(fā)射場(chǎng);利用地月軌道資源更合理地發(fā)射運(yùn)載火箭,使月球成為繼地球軌道空間站之外人類又一探索宇宙的“宇宙港”,為探索更遙遠(yuǎn)天體注入強(qiáng)大“推力”。利用月球上空氣阻力幾乎為零和月球重力加速度很小等天然條件,由月球向宇宙空間直接發(fā)射運(yùn)輸器,合理設(shè)計(jì)月球與目標(biāo)天體間的運(yùn)輸器軌道,可以節(jié)省大量燃料,使得發(fā)射活動(dòng)更經(jīng)濟(jì)可靠。以往人類往返月球和地球的太空任務(wù)驗(yàn)證了這項(xiàng)技術(shù)的可靠及可控性。當(dāng)然,在此之前人類需要親自踏上月球并實(shí)地完成基地選址的規(guī)劃與設(shè)計(jì),將建設(shè)基地的物資設(shè)備逐步送上月球,并建設(shè)起永久性月球基地。
左 背向地球的月球表面右 艾肯(Aitken)環(huán)形山與北京市面積比較
北京市面積16801平方千米,與月球表面艾肯環(huán)形山(Crater Aitken)的面積相當(dāng)。這樣一塊并不大的陸地面積卻生活著約2100萬(wàn)人口。月球表面總面積為3800萬(wàn)平方千米,約是北京市面積的2300倍。大家不妨設(shè)想一下,月球的陸地資源對(duì)于解決地球上日益突出的人均生存空間減少問題真不失是一個(gè)可預(yù)見的解決辦法。
人類要想真正擺脫地球資源對(duì)人類發(fā)展的束縛,學(xué)會(huì)并掌握利用月球資源的技術(shù)是十分必要的。近四十萬(wàn)千米的地月距離可使人類在學(xué)習(xí)這項(xiàng)技術(shù)初期不必受去火星那樣的長(zhǎng)途跋涉之苦,節(jié)省有限的探索和開發(fā)代價(jià)。對(duì)于這樣一個(gè)地球村的“衛(wèi)星城”,人類在現(xiàn)有工程技術(shù)和科學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上,可以大膽發(fā)揮想象力,盡量汲取地球上因不合理的開發(fā)對(duì)環(huán)境帶來(lái)的惡劣影響的教訓(xùn)。那么月球上究竟有哪些資源是可以“為我所用”的呢?根據(jù)遙感數(shù)據(jù)對(duì)月表“掃描”的結(jié)果,目前人類已經(jīng)知道月球表面不僅存在汞、銀、鈉、錳、鐵、鉀、鎂等工程建設(shè)材料制造所必需的元素及其化合物,月表中還含有氦3這樣的未來(lái)能源。當(dāng)人類利用由月球上直接采集到的礦石建設(shè)月球工業(yè)及科學(xué)設(shè)施的時(shí)候,我們地球疲憊不堪的環(huán)境是否會(huì)有所改變呢?
藝術(shù)家眼中的中國(guó)月球空間站
嫦娥三號(hào)月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡拍攝到的近紫外波段天龍座部分天區(qū)星空?qǐng)D像。這臺(tái)隨嫦娥三號(hào)探測(cè)器登月的月基望遠(yuǎn)鏡焦距200mm,主要用于極紫外光學(xué)波段天文觀測(cè),望遠(yuǎn)鏡總質(zhì)量13.5kg(?CLEP)
1.月面天文觀測(cè)
人類為了觀測(cè)宇宙更遙遠(yuǎn)的天體細(xì)節(jié),不斷摸索并制造著更大更精密的望遠(yuǎn)鏡。迄今為止,人類計(jì)劃修建的最大光學(xué)望遠(yuǎn)鏡“歐洲特大天文望遠(yuǎn)鏡”(E-ELT)處于智利北部阿塔卡瑪沙漠中心的海拔高度3060米的阿馬索內(nèi)斯山,直徑將達(dá)39.3米,望遠(yuǎn)鏡主鏡面重量147噸。這架巨型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡將首次直接觀測(cè)圍繞遙遠(yuǎn)恒星軌道運(yùn)行的行星。并通過其大氣成分來(lái)推斷那些行星是否曾經(jīng)存在過生命。但是這樣大的望遠(yuǎn)鏡設(shè)備自選址到最終實(shí)際觀測(cè)整個(gè)過程中都面臨諸多挑戰(zhàn)。能否達(dá)到望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)要求還取決于地球大氣層擾動(dòng)等自然因素的影響,并且在地球上要想找到一塊像阿塔卡瑪沙漠這樣較為理想的觀測(cè)場(chǎng)地實(shí)非易事。如果利用月塵提取出的物質(zhì)在月球上直接制造望遠(yuǎn)鏡,再加上月球表面低重力、大氣稀薄等物理特點(diǎn),望遠(yuǎn)鏡光學(xué)性能和觀測(cè)效果可想而知。對(duì)于月球上架設(shè)射電和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡目前科學(xué)界雖有不同意見,但這必將是未來(lái)天文觀測(cè)又一技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。目前如在月面開展長(zhǎng)期天文觀測(cè),還需要克服隕石及高能宇宙射線粒子或太陽(yáng)風(fēng)對(duì)望遠(yuǎn)鏡的破壞。
宇航員在月面放置天文望遠(yuǎn)鏡時(shí)場(chǎng)景想象圖[[?NASA]
月球表面撞擊坑內(nèi)側(cè)峭壁上的滑坡現(xiàn)象[?NASA]
2.月面上的地質(zhì)活動(dòng)觀測(cè)
“明亮”的月陸和“暗淡”的月?!獌煞N主要地形構(gòu)成了月表世界。月球正面主要以月海為主,其中不乏“風(fēng)暴洋”、“雨海”這樣著名的月海。月球背面則以陸地為主,上面分布著許多著名的環(huán)形山,其中就有以齊奧爾科夫斯基名字來(lái)命名,直徑達(dá)到180千米的大型撞擊坑。根據(jù)計(jì)算,月面上直徑大于1米的撞擊坑數(shù)量有近3萬(wàn)億個(gè),并且這個(gè)數(shù)字還在繼續(xù)不斷地增長(zhǎng)中。這其中有的撞擊坑的演化不僅受到外部撞擊的影響,它們的形成不同程度上還受到來(lái)自月球內(nèi)部的作用。如此龐大的撞擊坑樣本庫(kù)為我們研究月球地質(zhì)演化提供了豐富而生動(dòng)的資料。對(duì)于月球地質(zhì)地形的研究也將對(duì)未來(lái)月球基地建設(shè)大有裨益。
3.月球上的生物學(xué)研究
人們一般認(rèn)為植物之所以“地上開花結(jié)果,地下根系發(fā)達(dá)”是因?yàn)橹亓σ蛩厮鶎?dǎo)致的植物生長(zhǎng)模式。重力在植物生長(zhǎng)的整個(gè)過程中會(huì)提供生長(zhǎng)方向“提示”。但是國(guó)際空間站的一項(xiàng)“光照對(duì)植物生長(zhǎng)影響”實(shí)驗(yàn)卻改變了我們對(duì)植物生長(zhǎng)模式的認(rèn)識(shí)。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這些在宇宙低重力環(huán)境中的植物依靠光的指引選擇了根芽背向生長(zhǎng)的模式。而導(dǎo)致植物根系遵循與地面上相同生長(zhǎng)模式的原因是受了植物體內(nèi)生長(zhǎng)激素所含的“輝光基因”影響,正是這種基因“告訴”植物利用光來(lái)代替重力而形成“上下差異”。以往宇航員在空間站中因?yàn)榈椭亓Νh(huán)境可導(dǎo)致肌肉萎縮和生物鐘紊亂,這類困擾人類宇宙探索的宇航醫(yī)學(xué)問題在月球上將會(huì)得到更好的跟蹤研究與解決。
國(guó)際空間站(ISS)植物無(wú)重力環(huán)境下生長(zhǎng)模式實(shí)驗(yàn)[?NASA]
在月球這樣一個(gè)與地球截然不同的真空環(huán)境中,人類將開拓前所未有的科學(xué)探索領(lǐng)域。以往很多科學(xué)理論將會(huì)得到驗(yàn)證及拓展。也許我們將再次進(jìn)入“科學(xué)大發(fā)現(xiàn)的時(shí)代”。
人類在經(jīng)歷20世紀(jì)中葉探月高潮后正在更加冷靜和富于創(chuàng)新地準(zhǔn)備著又一次去往月球的旅程。目前世界上各主要航天大國(guó)都對(duì)建立月球基地表現(xiàn)出興趣,紛紛提出了自己的月球基地雛形。人類已有“阿波羅”、“月球”及“嫦娥”等眾多具有里程碑式的探月任務(wù),利用它們發(fā)現(xiàn)的月球科學(xué)知識(shí)以及日新月異的科技成果,我們應(yīng)該堅(jiān)信人類終將完成又一次大遷徙式的開疆?dāng)U土壯舉。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,人類將會(huì)向著太陽(yáng)系以外的宇宙空間繼續(xù)探索,作為深空探測(cè)前哨的月球必然會(huì)被我們更好地加以利用。借鑒地球上人類因生存而對(duì)環(huán)境改造的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn),我們將會(huì)以更加科學(xué)與長(zhǎng)遠(yuǎn)的理念去經(jīng)營(yíng)月球這片新大陸。
俄羅斯的未來(lái)月球?qū)嶒?yàn)場(chǎng)
日本未來(lái)的月球站
美國(guó)充氣月球基地模型
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月球軼事
月球重力加速度只有地球上的六分之一,在地球上跳高運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)是人的重心移動(dòng)的高度變化。如果人在地球和月球上起跳時(shí)的重心高度和彈跳力保持不變,那么相應(yīng)增加跳躍高度只是因重心提高值為地球上的6倍,例如,地球上如果一個(gè)人跳高成績(jī)是2米,考慮重心高度變化情況和相應(yīng)重力加速度變化因素,那么在月球上此人可以跳過9米左右的高度。設(shè)想一下我們?nèi)祟愒谝凭釉虑蚝?,一個(gè)溫度較為舒適的時(shí)間選擇在一片較為平坦的月面進(jìn)行月球奧林匹克田徑賽的場(chǎng)景。
照片攝于1972年4月21日,該照片由阿波羅16號(hào)艙外活動(dòng)時(shí)使用的登月車上的彩色攝影機(jī)拍攝。照片中阿波羅16號(hào)登月任務(wù)指揮官約翰·楊正從月球面起跳,遠(yuǎn)處是執(zhí)行此次任務(wù)并手持70mm月面攝影機(jī)的登月艙駕駛員查爾斯·杜克以及將被永久留在月面上的一面美國(guó)國(guó)旗。
(責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜)