太空真奇妙 月球系列之十二： 歐洲的繞月小船

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文／楊祖愛（美國太空總署太空工程師、國際太空站機器人CCM計畫經理）

歐洲的太空事業於1964年即已開始，當時叫做歐洲太空研究所，後於1975年擴大成立歐洲航天局（ESA，European Space Agency），總部設在巴黎，現有19個會員國，外加北美的加拿大為其聯盟會員。

歐洲的繞月任務起步晚，由瑞典太空局研發設計的SMART–1號衛星於2003年，由亞利安五號運載火箭發射升空，SMART的原文是Small Mission for Advanced Research In Technology，顧名思義，先進科技研究小任務。

她確實很小，只有1米長，總重367公斤，用的是什麼先進科技呢？主要在於用了以太陽能為動力的離子推進器。

推進器是用來帶動機器前行的，有許多推動的方式，比如汽車的引擎，以我們熟知的汽油為燃料來發動前行，一般飛機以航空煤油來飛行，推動火箭一般是用化學物品中的強氧化劑與易燃金屬粉末混合後，產生高溫氣體來推進火箭的衝力，而太空船最常用的是液態氫和液態氧。

離子推進器又是怎麼回事呢？基本上是利用物理學上的霍爾效應（Hall Effect）產生電磁加速的功能來推動機器。霍爾效應是把一個能導電的東西放在磁場內，將它通電後，它體內的電荷載子就會偏向一邊而產生電壓，電壓引致的電場力能將帶電的離子加速後噴出，以其反作用力推動前行。

SMART–1用了這個原理，在發射時，只用了50公升的液態惰性氙作推進劑，氙是一種無色無味的稀有氣體，推進器把氙原子變成離子後，可以加速至傳統火箭的三倍以上。

由此可知，離子推進器只需少量的推進劑就可以達到高速度，可節省燃料而減輕太空船載重，不過，它還有一些缺點需要繼續研究改進。

其實離子推進器的觀念，美國在1998年發射的深空1號用來探測小行星及彗星，以及日本在2003年發射的系川小行星採樣任務隼鳥號，都是用的離子推進器，美國續於2007年以改進方式發射了小行星帶探測船黎明號，至今仍在深空執行任務。

歐洲航天局的探月策略是小而經濟，SMART–1的主要目的，是測試離子推進器和一些小而新的科學儀器。傳統的儀器體積大而重，二十世紀末期開始廣汎應用的微型化機械，光學和電子零件產品，若能有效應用於太空飛行器上，則可減重省電省燃料，有助於深空長期飛行，例如飛到火星去，NASA的火星探測任務，早已應用微型化設計，歐洲的SMART–1號上面用的微型儀器，有攝像機、X射線光譜儀及螢光譜儀、推進器收集系統、月面灰塵探測器和高度控制器，它們的重量僅在0.8到6.2公斤之間，耗電量在1.8至26瓦之間，確實達到了小而新的基本目標。

SMART–1號於2004年9月27日升空後，2004年11月11日飛抵月球重力影響區，2005年2月27日飛抵繞月軌道，因為離子推進器的動力小，雖然飛得慢，但是成功的演示了離子及微型的可行性，由於這架小船的性能表現良好，歐洲航天局把任務期延長，直到2006年9月3日才照預定計畫撞落月球，任務結束。

此文落筆於2014年，歐洲正在進行下一輪的計畫，已知的探月計畫中，包括月球登陸號Lunar Lander，目的在演示安全軟著陸，這是不載人的計畫，目前預計於2018年升空。

歐洲航天局在2001年時，展開了曙光女神計畫（Aurora Programme），此計畫以探測火星為主，因為缺乏經費，轉向與美蘇兩國分頭合作，計畫中的一部份為載人登月，預計2024年達成，不過歐洲航天局的三個主要出資國，德法義質疑其必要性，因此載人登月這部份可能被刪除，不必去湊熱鬧了，而專注於火星任務。太空飛行是昂貴的，我們靜觀其變。