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SMART-1 发布于:

SMART-1号是欧洲航天局的首枚月球探测器,也是欧洲航天局“尖端技术研究小型任务”系列计划中的第一项研究项目。欧洲航天局用“SMART”为探测器命名,主要是因为该探测器执行的任务虽小,但研究的却全部都是目前最为尖端的技术。2006年9月3日,对月球表面进行了撞击,完成其最终使命。

Smart 1或SMART-1是一个借助太阳能离子推进器进入月球轨道的环月人造卫星。'"SMART'"是用于先进技术研究的小型任务(Small Missions for Advanced Research in Technology)的缩写。(LISA Pathfinder是SMART-2的另一个名字,SMART-1发射于2003年,是欧洲第一个飞向月球的太空飞船。2006年9月3日,格林尼治时间5点42分,在科学家的控制下,准时对月球进行了撞击试验,完成其最终使命。

SMART-1是一个轻量级的探测器(发射时重815磅/367千克,消耗燃料后减少至287千克),横断面和棵禁付只有1米(大约3英尺). 总共造价也很低: 只有1亿1000万欧元(1亿2600万美元). SMART-1是欧洲航天局关于建造比类似美国NASA但更小更便宜的太空飞船计划的一部分。

其太阳能离子推进器 (太阳电力主推进器,SEPP)是一个霍尔效应推进器(PPS-1350). 其设计使得能够产生的动力比起传统化学燃料火箭更为持久。随身携带的化学燃料储备只有惰性的氙承白垫60升(大约16美加仑少牛劝辨),总重量为80千克. 推进器使用使用电磁场喷射出高速氙离子。

准确的推动力是16100m/s(排气速率)或1640秒, 这已经是化学火箭最大值的三倍。因为一千克化学燃料(占火箭重量的1/350至1/300)产生的ΔV只接近45m/s。

欧洲SMART-1号月球探测器大量采用模块化、通用化设计和商用现货软硬件研制而成的“智慧—1号”探测器,是一个小型化航天器的杰作。它的起飞质量为370公斤,在太空展开后,其外殃元糠形呈现为长1570厘米、宽115厘米、高104厘米的立方体,太阳能帆板翼展为14米,提供的电力为1.9千瓦。整个造价约为1.08亿美元的“智慧—1号”,其有效载荷质量虽然仅为19公斤,但却包括用于完成10多项技术试验和科学研究的仪器设备。

SMART-1号是世界上第一个采用太阳能离子发动机作为主要推进系统的探测器,该发动机利用探测器自身太阳能帆板产生的带电粒子束作为动力。运用离子推进技术的发动机,从离开地球到最终到达观测轨道,一共只消耗了75公斤的惰性气体燃料氙,燃料利用的效率比传统化学燃料发动机再驼遥高10倍。

太阳能等离子体发动机属于太阳能电火箭发动机的一种,因此又将其称为电火箭。它是正在发展中的新技术,属踏奔祖于非常规推进系统。“智慧—1号”上采用的这种新型动力装置,利用高效砷化镓太阳能帆板把太阳光能转换成电能,并通过特设结构使部分电能产生电磁场;同时利用稀有惰性气体氙气作为工作介质。该新型动力装置在航天器上还是首次使用,它比通常使用的化学火箭的效率要高出10倍,且需工作介质较少,可使航天器携带更多的有效载荷。由于太阳能是用之不竭拒承的再生能源,因此它能在太空无重力状态下连续工作几年时间。

这种动力装置的缺点是产生的推力很小,加速很慢,只能给“智慧—1号”提供0.2毫米/平方秒的加速度。

作为"用于先进技术研究的小型任务"计画的一部分,SMART-1将会测试新的太空飞行技术. SMART-1主要目的是测试太阳能离子推进器. 它也将测试小型科学设备的使用,这些设备可能更为有效. 如果成功,这些技术将会在将来的ESA任务中使用.

任务的第二个目标是获取关于月球的更多信息,例如其是如何形成的这类问题. SMART-1将会对月球表面进行X射线和红外线遥感采样绘制地图,从不同的角度拍摂图片并依此即可建立月球表面地图的三维模型. 它还将使用X射线分光镜决定月球的化学组成. 一个特别的目标是使用红外线搜寻月球南极固态水的存在,那里从未被太阳辐射直接照射过. 它也将对月球的Peak of Eternal Light进行地图采样,该地形的山顶永久性的曝露在太阳辐射之下,而周遭的环形山则永远出于阴影中. 2003年9月27日,欧洲航天局利用“阿丽亚娜”5G型火箭将SMART-1号探测器送入太空。2004年11月15日到月球上空的近月轨道。经过精确的位置调整和运作后,SMART-1进入到距离月球表面470公里到2900公里的最终轨道,并在这一轨道上进行大量科学试验。

“智慧—1号”的首要任务是验证新型推进系统,其次才是探测和研究月球。所谓验证新型推进系统,就是测试为“智慧—1号”提供飞行动力的太阳能等离子体发动机的技术性能和工作可靠性。

科学家们通过探测器上携带的X射线光谱仪等设备,详细绘制了月球表面地形地貌图和矿物分布图,研究其表面岩石的化学成分,探寻小行星45亿万年前撞击地球产生月球的过程。SMART-1的另外一项任务是对月球是否存在水资源进行探测,其中对月球表面最有可能存在水的两极冻土区域进行了重点探测。

SMART-1号探测器出色完成了自己的探月使命,欧洲航天局决定将其剩余燃料用于完成最后的撞击任务。

2006年9月3日13时51分消息,欧洲宇航局宣布,格林威治时间9月3日5时42分22秒(北京时间13时42分22秒),欧洲探测器SMART-1号成功撞击月球。欧洲航天局估计,撞地的地点在月球的西经46.2度、南纬34.4度。

SMART-1在2003年9月27日与INSAT-3E以及e-BIRD使用Ariane-5型火箭在法属圭亚那的Kourou一起发射升空. 其发射后42分钟即进入654 x 35 885 km的离地静止轨道. 在那里,SMART-1将在13个月中使用SEPP逐渐螺旋脱离. 2004年11月11日它穿过拉格朗日点 L1并且进入月球重力影响区域,在UT时间11月15日1748其穿越了月球轨道的第一个近月点.

欧洲航天局于2005年2月15日宣布,已经批准了关于延长一年SMART-1的使命到2006年8月的提案。

SMART-1是欧洲人的骄傲。它实现了很多世界第一,为欧洲乃至全世界的科学家提供了大量新的数据,为人类了解月球起源和探索宇宙作出了很大的贡献。这个仅仅重约366公斤,1立方米大小的探测器“小巧”的身躯内容纳了大量高科技设备,也的确名副其实。以其离子发动机为例,抛弃了短时间内能量巨大的传统太空燃料,使用喷射出离子的方式来推动飞行器,而点燃发动机的也是相对温柔的“太阳能”,其推动力仅仅相当于托起一张明信片。此外,“智能1号”上装备了高清晰度微型摄像机、红外线及X射线分光计等最新探测设备,这些设备自月球轨道拍摄并传回了月球表面的2万多张图像,其清晰程度前所未有,X射线分光计也帮助科学家第一次获得了月球表面包括钙和镁在内的一些化学元素的含量数据。

“智能1号”长时间环绕月球极地轨道飞行,绘制了月球表面的整体外貌图,其中包括过去人们缺乏了解的月球不可观测面和极地概貌。“智能1 号”不但让科学界第一次发现月球极地与赤道区域的许多不同地质构造,也让人类第一次发现在接近月球北极存在一个“日不落”区域,这个区域甚至在冬季都始终有阳光照耀。

2003年9月,“智能1号”在法属圭亚那的欧洲航天局发射中心被阿丽亚娜5型运载火箭带入太空,并进入一个椭圆形的轨道围绕地球飞行。随后其先进的太阳能电力推进系统点火,喷射出氙离子流,从而沿螺旋形轨道逐步增加其与地球之间的距离,虽然这种前进方式,使原来地月间38万多公里路程增加到1亿公里,并且花费了十几个月,但旅途中它仅仅消耗了60升的燃料———氙。这种新的太空旅行理念通过SMART—1成为了现实,从此揭开了人类探索太空新的篇章。

* 2004年6月17日: SMART-1使用传回了对地球照下的测试图像,该相机将用于对月球的近距离拍照. 这张地球照片显示了欧洲和非洲的部分. 它是在5月21日使用AMIE相机照下的,AMIE是一个重量只有450克的图像设备.

* 2004年11月2日:绕行地球轨道的最后一个近地点.

* 2004年11月15日:绕行月球轨道的第一个近月点.

* 2005年1月26日:发回月球表面第一个近距离图像.

* 2005年2月27日:达到最终的环月轨道,轨道周期为5小时。

* 2006年9月3日:对月球表面进行了撞击,完成其最终使命。

此次撞击意义非常重大,它直接奏响了人类新一轮探月高潮的前奏。

月球是离我们最近的星球,与地球的关系非常密切,关于月球的起源一直是人类不断探讨的话题之一。继1969年阿波罗号登月后,人类正在掀起探测月球的第二次高潮,按照计划,中国也将派飞船探测月球。而此次欧洲探测器的撞击月球则可以说是这个高潮的前奏。

新一轮探月热潮的掀起将有三方面的意义:首先,新一轮探测将有望进一步确认月球的起源。通过第一轮的探测,人类对月球的形成已经有了新的看法,认为月球是46亿年前,一个类似火星大小的天体与地球相撞溅射出的物质围绕地球旋转聚集而成。然而,这还只是一个假说,需要经过人类的进一步探索来验证。

其次,月球上有着丰富的资源,如氦山,这些正是人类所急需的。新一轮探月有助于人类未来对这些资源的开采和利用。

第三,月球将会成为人类新的科学基地,其中包括设立月球天文台,这是由于月球上有着地球表面所不具备的观测条件,新一轮探月将帮助人类实现这些愿望。

随着科学技术的进步,撞击天体,取回天体内部的物质研究,从而探索该天体的成因和成分,这一办法已经成为人类探索宇宙未知世界比较好的选择。与去年7 月人类“炮轰”彗星的壮举相比,此次欧洲探测器撞击月球规模小了不少,但这并不影响撞击的意义。

作为“用于先进技术研究的小型任务”计画的一部分,SMART-1将会测试新的太空飞行技术。SMART-1主要目的是测试太阳能离子推进器。它也将测试小型科学设备的使用,这些设备可能更为有效。如果成功,这些技术将会在将来的ESA任务中使用。

第二个目标是获取关于月球的更多信息,例如其是如何形成的这类问题。SMART-1将会对月球表面进行X射线和红外线遥感采样绘制地图,从不同的角度拍摂图片并依此即可建立月球表面地图的三维模型。它还将使用X射线分光镜决定月球的化学组成。一个特别的目标是使用红外线搜寻月球南极固态水的存在,那里从未被太阳辐射直接照射过。它也将对月球的Peak of Eternal Light进行地图采样,该地形的山顶永久性的曝露在太阳辐射之下,而周遭的环形山则永远处于阴影中。

SMART-1在2003年9月27日与INSAT-3E以及e-BIRD使用Ariane-5型火箭在法属圭亚那的Kourou一起发射升空。其发射后42分钟即进入654 x 35 885 km的离地静止轨道。在那里,SMART-1将在13个月中使用SEPP逐渐螺旋脱离。2004年11月11日它穿过拉格朗日点 L1并且进入月球重力影响区域,在UT时间11月15日1748其穿越了月球轨道的第一个近月点。

欧洲空间局于2005年2月15日宣布,已经批准了关于延长一年SMART-1的使命到2006年8月的提案。

科学家、工程师和操作人员2006年9月2 日夜晚至3 日晨一直守候在德国达姆施泰特欧洲航天控制中心,目睹了“SMART-1”的最后时刻。当操作人员宣布“我们已经着陆”时,控制中心大厅内一片掌声。

欧洲航天局说,“SMART-1”撞击月球表面时,进入角度大约为1 度,速度大约为每秒2 公里。撞击时间和地点事先都经细致计划,为的是便于地面观测者通过望远镜观察撞击过程。全球职业和业余天文学家这次均获良机目击撞击过程,由地面观测者采集的数据和撞击图像将在未来几日提供给世人。

在过去16个月中,“SMART-1”使用高清晰度微型摄像机、红外线及X 射线分光计等最新探测设备,从月球轨道拍摄并传回了月球表面的2 万多张图像,清晰程度前所未有。

负责“SMART-1”探险任务的科学家伯纳德。富万说,X 射线分光计和红外线帮助科学家第一次获得月球表面钙和镁等化学元素的含量数据,描绘出了月球元素和矿物分布的最详细地图。

他说,“SMART-1”还观察了神秘的月球极点,并调查了未来值得探索的区域。如果月球极点像一些科学家们所希望那样存在固态水的话,那么人类未来开发月球将拥有极端重要的生存条件。

“SMART-1的测量还为有关月球生成和进化的理论收集了证据,”富万说,大多数月球研究者认为,月球是在45亿年前由一个火星大小的小行星撞击地球后形成的。但这一理论尚有诸多未明之处,例如月球大部分物质来自两个相撞星球中哪一个。

离子发动机省能耗

早在“SMART-1”按计划顺利撞击月球之前,科学家们已经在庆祝一项重要成就,即太阳能离子发动机试验成功。这并非人类首次在太空探险中使用离子发动机,首先使用这一技术的是美国航空和航天局“深空1 号”彗星探测器。

为了这一试验,与“深空1 号”的直线航行轨道不同,欧洲科学家们让“SMART-1”“舍近求远”,先进入地球同步轨道,随后点燃离子推进器,逐步扩大其环绕地球飞行的椭圆形轨道直至其被月球重力所“捕获”。英国《自然》周刊说,上述过程耗时14个月,航行8400万公里,而地球到月球的直线距离只有38万公里,1969年美国“阿波罗11号”飞船完成地球到月球的旅程只用了76小时。

好的一点是,“SMART-1”飞了这么久、这么远,只消耗了大约70公斤燃料,大约为使用化学燃料发动机的传统航天器所需燃料的1/10.

“SMART-1”使用氙气燃料。太阳能离子发动机可将太阳能转化为电能,再通过电能电离惰性气体原子,从尾部喷射出高速氙离子流,从而为探测器提供动力,从外表看上去,“智能1 号”喷出的是鬼火般的蓝色光。

不过,操作离子发动机比化学液体发动机更复杂。传统燃料航天器在升空之后不需要不断调整角度和方向,离子发动机由于一直处于推进过程,必须随时监控和校正。这1 年多时间里,德国达姆施泰特地面控制中心的科学家们已经熟练掌握这些技术。

为撞月球提供经验

富万在接受美国 网站采访时说,“SMART-1”是即将升空的一系列月球探测器的先驱。他指出,2006年7 月,第八届国际月球探测与利用大会发表《北京宣言》 ,宣言中要求各国应从头至尾记录探月行动计划,并合作在太空和地面观测月球撞击,因此“我们将向其他人传递经验”。

“SMART-1”探险期间,欧洲航天局邀请其他多个国家准备对月球展开“撞击行动”的科学家加入其中,向他们提供经验,比如准备于2008年10月升空的美国航空和航天局“LCROSS ”探测器,这一探测器将分两次撞击月球南极,希望能找到那里有水和其他化合物的痕迹。

在技术层面,“SMART-1”也是未来太空任务的先锋,“SMART-1”运行总管奥克塔维奥。卡米诺- 拉莫斯说,“SMART-1”给科学家们留下宝贵经验,这次“探险”好比引导一艘小帆船去经受旋风和暗流的考验,但它经受住了考验。

“我们已经显示离子发动机可行,”卡米诺说,离子发动机将成为未来10年中欧洲航天局执行另两项太空探险任务时的选择,即探索水星的“BepiColombo  ”探测器和近距离环绕太阳飞行的“Solar  Orbiter  ”探测器。预计于2013年发射的“BepiColombo  ”探测器将先使用传统推动装置迅速冲出地球轨道,然后再用离子发动机推动奔向目标。

同时,卡米诺说,这一推进技术还可用于建造飞往月球的大型货运航天器,以在月球建立首个永久性基地,或者用于首次载人火星飞行。

除此之外,“SMART-1”的创新还包括一套全新通讯系统、新一代太阳能电池板和一套传感和扫描设备。这套传感和扫描设备简直是“小型化技术的奇迹”,7 件设备总重量只有19公斤。其中的分光计将直接使印度太空探险活动受益,印度计划于2007年或2008年开始的Chandrayaan-1无人探月飞行计划将使用这种设备。

当然,“SMART-1”还有一项无法估量的影响,即重新点燃了人们探索月球奥秘的热情,其中部分原因在于“智能1 号”探险相对低廉的成本,它的造价只有1.1 亿欧元(约1.4 亿美元)。

“就欧洲航天局的项目来说,SMART-1代表了一个巨大成功,从技术和科学角度看,都有非常好的投资回报,”欧洲航天局科学主管戴维。索思伍德说,“看来,从现在起,地球上的每个人都将计划前往月球了,进一步的科学探险行动将从这个小航天器的技术和操控经验中受益良多,同时SMART-1收集的科学数据已经在帮助我们更新对月球的现有认识。”

格林威治时间2006年9月3日5 时42分22秒(北京时间13时42分22秒),欧洲探测器SMART-1 号成功撞击月球。

欧洲航天局估计,撞地的地点在月球的西经46.2度、南纬34.4度。欧洲航天局随后将公布更多的关于这次撞击月球行动的信息。

欧洲宇航局官员称,SMART-1 号是准时撞击月球表面,激起了大量的月球尘埃,接下来科学家将通过分析尘埃成分来解释月球起源。

SMART-1 号是欧洲首颗月球探测器,2003年9 月发射升空,2004年11月抵达月球上空的近月轨道。此后,SMART-1 号进入到距离月球表面470 公里到2900公里的最终轨道,并在这一轨道上进行了大量科学试验。

关于月球起源是个十分古老的问题,传统的说法是同源说、分裂说和俘获说。80年代中期,一位美国天文学家提出了一个崭新的假说。该假说认为,在太阳系形成早期,大约45亿年前,一个火星大小的天体撞击地球,产生的部分碎片形成月球,但这也仅限于推测。

面对几种学说的争议,科学家希望通过测量月球成分得到答案,科学家和广大天文学者都期待“Smart-1 ”的撞击能揭开这个谜团。

SMART-1发回最后一组照片:自己的“墓地”(红色标记处)

欧洲航天局SMART-1 探测器上高级月球成像实验照相机(AMIE)所抓拍的照片显示了SMART-1 在月球上的撞击区——SMART-1 自己的“墓地”,这也是SMART-1 号发回的最后一组照片。

高级月球成像实验照相机是于2006年8 月19日从距月球表面相对高处(1200公里)拍摄到的这组照片的,这一地点远离SMART-1 近月点,或最接近月球的地点。所用摄像设备的地面分辨率达到每像素120 米。这组照片的位置靠近月球左侧的中南纬度,属于所谓的“卓越湖。”为拍摄这些照片,SMART-1 必须倾斜20度,以获得更大范围的地面覆盖率以及多角度的图片,每一面的覆盖区域大约60公里。

SMART-1 将从北向南飞行,在到达名义近月点(位于撞击位置南侧)之前,它将会需要46秒或飞行90公里的距离撞击月球表面。这是因探测器飞经最后一条轨道和撞击区域地形所决定的。根据对现有地图和地形的估算,SMART-1 将以与月球表面几乎平行的一度角撞击月球。

SMART-1 预计将于2006年9 月3 日CEST时间7 时42分20秒(格林尼治时间5 时42分20秒,北京时间13时42分20秒)撞击月球,撞击点位于西经46.2度,南纬33.3度。在CEST2 时37分(格林威治时间零点37分),探测器应该会飞经近月点。到那时,它将越过Clausius坑(直径25公里、深2.5 公里),在“卓越湖”火山平原上空约800 米处。

根据这些来自SMART-1 的图片,Clausius坑边缘显得很低,且遭到腐蚀,或许处于SMART-1 最后一个近月点以下。欧洲航天局Smart-1 探月项目科学家伯纳德。弗因说:“如果SMART-1 安全经过Clausius坑边缘,它将进行最后一圈月球轨道之旅,接着走向死亡。”


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