□ 魯暘筱懿
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□ 魯暘筱懿
科學(xué)家設(shè)想的未來月球發(fā)射場
月球在中國古代有玉鑒、桂宮、嬋娟等美妙的別稱,可見古時候的人們對月球的理解是多么的富有想象力。那時的人們不但對月亮的陰晴圓缺現(xiàn)象加以揣測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,最終于美國東部時間1969年7月20日16時許,第一個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年時間,但真正用于登月知識儲備到技術(shù)實現(xiàn)卻是從伽利略利用單筒望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)觀測月球后的300多年時間。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。而對于月球這樣一個低重力、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環(huán)繞太陽公轉(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)實驗資源。未來,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;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)驗證了這項技術(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地完成基地選址的規(guī)劃與設(shè)計,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2100萬人口。月球表面總面積為3800萬平方千米,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可預(yù)見的解決辦法。
人類要想真正擺脫地球資源對人類發(fā)展的束縛,學(xué)會并掌握利用月球資源的技術(shù)是十分必要的。近四十萬千米的地月距離可使人類在學(xué)習(xí)這項技術(shù)初期不必受去火星那樣的長途跋涉之苦,節(jié)省有限的探索和開發(fā)代價。對于這樣一個地球村的“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)對環(huán)境帶來的惡劣影響的教訓(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)施的時候,我們地球疲憊不堪的環(huán)境是否會有所改變呢?
藝術(shù)家眼中的中國月球空間站
嫦娥三號月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡拍攝到的近紫外波段天龍座部分天區(qū)星空圖像。這臺隨嫦娥三號探測器登月的月基望遠(yuǎn)鏡焦距200mm,主要用于極紫外光學(xué)波段天文觀測,望遠(yuǎn)鏡總質(zhì)量13.5kg(?CLEP)
1.月面天文觀測
人類為了觀測宇宙更遙遠(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)鏡將首次直接觀測圍繞遙遠(yuǎn)恒星軌道運(yùn)行的行星。并通過其大氣成分來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)備自選址到最終實際觀測整個過程中都面臨諸多挑戰(zhàn)。能否達(dá)到望遠(yuǎn)鏡設(shè)計要求還取決于地球大氣層擾動等自然因素的影響,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場地實非易事。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)性能和觀測效果可想而知。對于月球上架設(shè)射電和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡目前科學(xué)界雖有不同意見,但這必將是未來天文觀測又一技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。目前如在月面開展長期天文觀測,還需要克服隕石及高能宇宙射線粒子或太陽風(fēng)對望遠(yuǎn)鏡的破壞。
宇航員在月面放置天文望遠(yuǎn)鏡時場景想象圖[[?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)活動觀測
“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?!边@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命名,直徑達(dá)到180千米的大型撞擊坑。根據(jù)計算,月面上直徑大于1米的撞擊坑數(shù)量有近3萬億個,并且這個數(shù)字還在繼續(xù)不斷地增長中。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自月球內(nèi)部的作用。如此龐大的撞擊坑樣本庫為我們研究月球地質(zhì)演化提供了豐富而生動的資料。對于月球地質(zhì)地形的研究也將對未來月球基地建設(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)”是因為重力因素所導(dǎo)致的植物生長模式。重力在植物生長的整個過程中會提供生長方向“提示”。但是國際空間站的一項“光照對植物生長影響”實驗卻改變了我們對植物生長模式的認(rèn)識??茖W(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的模式。而導(dǎo)致植物根系遵循與地面上相同生長模式的原因是受了植物體內(nèi)生長激素所含的“輝光基因”影響,正是這種基因“告訴”植物利用光來代替重力而形成“上下差異”。以往宇航員在空間站中因為低重力環(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)問題在月球上將會得到更好的跟蹤研究與解決。
國際空間站(ISS)植物無重力環(huán)境下生長模式實驗[?NASA]
在月球這樣一個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)理論將會得到驗證及拓展。也許我們將再次進(jìn)入“科學(xué)大發(fā)現(xiàn)的時代”。
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都對建立月球基地表現(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)知識以及日新月異的科技成果,我們應(yīng)該堅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,人類將會向著太陽系以外的宇宙空間繼續(xù)探索,作為深空探測前哨的月球必然會被我們更好地加以利用。借鑒地球上人類因生存而對環(huán)境改造的經(jīng)驗與教訓(xùn),我們將會以更加科學(xué)與長遠(yuǎn)的理念去經(jīng)營月球這片新大陸。
俄羅斯的未來月球?qū)嶒瀳?/p>
日本未來的月球站
美國充氣月球基地模型
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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)動的本質(zhì)是人的重心移動的高度變化。如果人在地球和月球上起跳時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,地球上如果一個人跳高成績是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?,一個溫度較為舒適的時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景。
照片攝于1972年4月21日,該照片由阿波羅16號艙外活動時使用的登月車上的彩色攝影機(jī)拍攝。照片中阿波羅16號登月任務(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國旗。
(責(zé)任編輯 張長喜)