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2023-06-15從阿波羅計畫到嫦娥工程,各國的新一代月球探索競賽 498 期

Author 作者 黃楓台/美國俄亥俄州立大學工程力學博士。專長為衛星軌道分析與太空資訊分析,目前擔任企劃推廣組長工作。

月球距離我們大約38萬4000公里,是距離人類居住的地球最近的一顆星體。自古以來人們對於月球基於好奇、想像,孕育出不少故事。1865年,法國科幻小說家凡爾納(Jules Verne)的小說《從地球到月球》(De la Terre à la Lune),首先提出以太空炮(space gun)將人類送至月球的構想。不過一直到火箭的發明,才真正實現了人類數千年來探索月球的夢想。

冷戰時期的探月計畫

1957年10月4日,蘇聯發射了全世界第一顆人造衛星——史普尼克一號(Sputnik 1),開啟人類太空時代的序幕,也開始了美蘇兩國間一連串的太空競賽。在月球探索方面,蘇聯在第一顆人造衛星發射不到兩年的1959年9月14日,成功的讓無人探測器月球2號(Luna 2)在月球硬著陸(hard landing)〔註〕。透過月球2號的探測結果,人們了解到月球沒有磁場,且周圍並不像地球一樣有范艾倫輻射帶(van Allen Belts)一般的區域。1966年,蘇聯發射月球9號探測器進行軟著陸(soft landing)任務,進一步發現月球表面是堅固的,可以在它的表面上著陸。

〔註〕硬著陸一般指飛行器未減速,直接衝撞降落在星球表面。在此情況下,飛行器絕大部分會在著陸後損壞;軟著陸則指降落時進行減速,使飛行器與其中的儀器或人員仍保持完好無損、可進行其他任務,技術難度較硬著陸高許多。

美國在月球探索競賽中落後於蘇聯,直到1961年,美國總統甘迺迪(Jack Kennedy)在萊斯大學(Rice University)的演講中宣布要在十年內將人類送上月球並且平安返回地球,也就是著名的阿波羅計畫(Project Apollo)。美國在1969年7月完成人類首度登陸月球的壯舉,並在1972年12月發射阿波羅17號,執行最後一次載人登月任務。美國在這四年間共完成了六次月球登陸任務,成為目前唯一成功進行載人登月任務的國家。

(123RF)

21世紀的探月計畫

就在人類完成登陸月球的創舉後,人類對於月球探索的熱情已不若以往,雖然美蘇兩國及其他新的國家陸陸續續還有一些探月計畫,但似乎也引不起眾人的關注,直到美國啟動了阿提米斯計畫(Artemis program)。

美國的「阿提米斯計畫」

時隔約半世紀,美國宣布要重返月球,著眼點不再只是單純為了國家聲望,而是希望進一步為了科學發現、經濟利益以及新一代探索的啟發。為了保持在外太空探索領域的領導地位,也將建立一個全球聯盟,探索深空以造福全人類。在此背景下美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)啟動的阿提米斯任務,規劃將讓第一位女性和第一位有色人種登上月球,並利用創新技術更廣泛的探索月球表面。與過去不同的是,美國此次與商業和國際夥伴共同合作,要在月球上建立第一個長期存在的基地。然後,藉由在月球及它周圍所學到的知識為人類的太空探索向前邁出下一步——將第一批太空人送往火星。

阿提米斯系統架構包含太空發射系統(Space Launch System, SLS)、獵戶座飛船(Orion)、月球門戶(Lunar Gateway)太空站、商業載人著陸系統,與星艦人類登陸系統(Starship Human Landing System,HLS)阿提米斯計畫已經於去(2022)年11月發射搭載機器人和人體模型的阿提米斯一號;阿提米斯二號載人任務預計於明(2024)年進行發射;阿提米斯三號載人登月任務將會搭載第一位女性和第一位有色人種,預計2025年進行發射。而後阿提米斯四號將於2027年與月球門戶對接,然後每年皆會執行月球登陸任務。

為了不斷完善形塑探索整個太陽系的藍圖,NASA於今(2023)年4月6日進一步發布了「NASA從月球到火星的戰略和目標發展」(NASA’s Moon to Mars Strategy and Objectives Development),關注如何在阿提米斯計畫下設定明確的目標,確保人類在太陽系長期、永續的進行探索。

中國的「嫦娥工程」

2003年3月1日,中國國家航天局啟動探月工程計畫,以中國神話人物「嫦娥」來命名,也被稱呼為嫦娥工程,分成無人探月、載人登月、長久駐月,簡稱探、登、駐三個階段。目前中國仍在無人「探」月的階段,已發射嫦娥一號與嫦娥二號進行繞月任務;嫦娥三號與嫦娥四號無人探測儀器則完成月球表面軟著陸探測,其中嫦娥四號成功完成月球背面表面的軟登陸。最後則是嫦娥五號登月採取樣本後返回地球。

在上述探用任務當中又以嫦娥四號最受世人矚目,以下就它的科學與技術的突破做進一步說明。由於月球與地球的自轉同步,因此月球對地球永遠是同一個面。直到1959年,蘇聯發射「月球3號」(Lunar3)探測器,才首度讓我們窺探到月球背面的狀況。此次中國的嫦娥四號成功,是人類的太空探測器第一次在月球背面表面軟登陸。由於登月地點位在相對於地球的背面,因此如何保持地球與探測器間的通訊將是一個重大的挑戰。為解決通訊問題,中國在2018年5月21日就發射了鵲橋號中繼通訊衛星,該顆衛星進入第二拉格朗日點(L2),如圖一所示。

圖一 月球軌道和拉格朗日點(Lagrangian point)位置示意圖

位在地球的操控中心藉由在L2的中繼通訊衛星,可以與在月球背面的探測器進行通聯。

根據2021年中國國務院發布的「中國的航天」報告,中國規劃未來五年將繼續進行月球探測工程,包括發射嫦娥六號探測器、完成月球極區採樣返回;發射嫦娥七號探測器、完成月球極區高精度著陸和陰影坑飛躍探測;以及完成嫦娥八號任務進行關鍵技術「攻關」。在載人「登」月方面,預計於2030年前完成;至於長久「駐」月方面,則已經與俄羅斯簽署合作備忘,就建造國際月球科研站進行研究,並邀請其他國家參與。

探索月球規範與地緣政治

在全球文明發展進入太空時代後,人們也意識到需要一些相關法規制度規範人類在外太空活動的行為。首先是1966年12月19日在聯合國大會通過的《關於各國探索和利用包括月球和其他天體的外太空活動應遵守原則的條約》(Treaty on Principles Governing the Activities of States in the Exploration and Use of Outer Space, including the Moon and Other Celestial Bodies),以下簡稱《外空條約》(Outer Space Treaty)。在條約中規範有「不得據為己有原則」,意指各國不得通過提出主權要求、使用、占領或以其他任何方式,將外層空間據為己有。然而外空條約並沒有特定說明「據為己有」的對象,也因此1979年時,聯合國進一步通過《關於各國在月球和其他天體上活動的協定》(Agreement Governing the Activities of States on the Moon and Other Celestial Bodies),以下簡稱《月球協定》(Moon Treaty)。協定中明確規範探索月球及外太空中其他所有星體的準則,如月球及它的自然資源均為人類共同繼承財產,任何國家不得依據主權要求或通過利用、占領或其他任何方式據為己有。不過,不像《外空條約》已有113國為締約方以及23個簽署國,截至目前為止《月球協定》僅有18個締約方,11個簽署國。美、俄、中三個具有載人太空能力的國家皆沒有簽署。

美國阿提米斯計畫是由政府太空機構和私部門太空公司合作的大型計畫,受2020年5月發起的阿提米斯協議以及相關合約的約束。到去年年底,已由23個國家和一個地區簽署協議,其中包括美國的傳統太空合作夥伴例如:歐洲太空總署、加拿大、日本和英國的機構,以及新興太空大國例如巴西、韓國和阿聯酋等。

而在中國方面,中國國家航天局規劃成立一個機構來監督和協調中國主導的國際月球研究站。自2021年中國公布第一份國際月球研究站路線圖以來,中國國家航太局已與包括俄羅斯、阿根廷、巴基斯坦、阿聯酋、巴西在內的多個國家的太空機構簽署合作協議或意向書。由此可見,美國與中國正各自在常駐月球目標下,尋求合作夥伴。雖然有部分國家在美中兩邊選擇保持關係,然而在主要夥伴上,仍呈現美中兩國在地緣政治上競爭的格局,這顯示這項競爭已經悄悄地從地球延伸到月球。

(123RF)

結論

人類自西元1959年開始探索月球迄今已經超過50年,如今月球探索的目的已經由過去提升國家聲望,到現在加入了資源的爭奪以及地緣政治的考量等多項因素變得更加複雜。

由於國際太空法的制約,應該不會有國家會宣稱對月球擁有主權。然而,在可見的未來,美國與中國在地球的對峙與競爭,將會持續延伸到月球甚至到火星。後續兩強在月球競爭會如何發展,以及沒有國家對月球擁有主權,人類在月球長駐後所衍生的相關法律問題以及因應之道,則是我們需要持續關注的議題。