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【特稿】India’s Mars Mission 印度火星任務發展與現況分析

許庭榜/中興大學國政所碩士

1960年代至今全球約45次火星探測任務,其中三分之一失敗。除了歐洲太空總署的「火星快車號」,沒有其他國家首次探測火星就取得成功。2014年9月24日,印度無人火星探測器「曼加里安號」(Mangalyaan)結束10個月長達6.6億公里的飛行,成功進入火星軌道,成為第一個將探測器送上火星軌道的亞洲國家,也是繼歐洲太空總署之後首次挑戰這項任務就成功的國家。本文從科學與技術層面解讀此次的太空探索,也提出太空計畫將為印度帶來多重效益,包括凸顯其太空實力,爭取更多太空合作夥伴與太空商業服務的客戶,再者亦能提升國家內部的士氣,吸引更多的年輕人才加入該領域的研發。


印度火星任務發展與現況分析(India’s Mars Mission

2012年8月3日,印度政府批准由印度太空研究組織所提出的火星探測計畫,[1]印度總理辛格(Manmohan Singh)於2012年8月22日印度第66屆獨立紀念日上正式宣布這個消息,辛格在致詞時指出這趟任務將使印度在科技領域的發展上向前邁進一大步,並表示印度的太空船會在靠近火星附近的地方蒐集重要的科學資訊。[2]事實上,從1960年代至今全球約45次火星探測任務,其中三分之一失敗。除此之外,除了歐洲太空總署的「火星快車號」,沒有其他國家首次探測火星就取得成功。[3]2014年9月24日,印度無人火星探測器「曼加里安號」(Mangalyaan,梵文譯為火星飛船)結束10個月長達6.6億公里的飛行,成功進入火星軌道,成為第一個將探測器送上火星軌道的亞洲國家[4],也是繼歐洲太空總署(ESA)之後,首次挑戰這項任務就成功的國家。印度總理莫迪(Narendra Modi)在探測器成功進入火星軌道後說道:「我們敢於探索未知的領域,並達成了幾乎不可能的任務,我們寫下了歷史的新頁。…太空計畫的成功展現出身為一個國家我們所能夠做到的。」(左圖:印度總理莫迪在火星任務成功後發表演說。圖片來源:http://www.isro.org

印度火星任務的主要目標

這次的火星任務是印度第一次的星際探索(Interplanetary Exploration),屬於行星之間的探索任務,與印度2008年進行的月球任務有所不同。印度的火星任務預計由一艘火星軌道探測器「曼加里安號」繞行火星的橢圓形軌道(最近點距離火星371公里,最遠點距離火星80000公里)進行數種科學實驗。[5]這次任務既是一項技術任務,也是科學任務,技術層面的目的在於發展星際探測任務必須的設計、規劃、管理和操作等相關技術,而科學層面的目的則在於探索火星的若干特徵。[6]火星任務具體的目標如下:

1.科學目標

探索火星表面的若干特徵,包含拍攝火星表面的影像、測量火星表面的化學成分組成、分析火星大氣層內的成分,[7]藉此探測生命的跡象、繪製表面地圖、識別礦物資源等任務,並尋找甲烷這種攸關地球生命過程的化學物質。

2.技術目標

根據印度太空研究組織主席拉達克里希南,雖然印度的火星任務有科學上的目標存在,但是這次任務的目標還是以技術層面為主,最基本的就是要使印度建立起環繞火星飛行的能力。[8]具體而言,技術層面的目標包括[9]:(1)具備研發製造火星探測器的技術能力,而且探測器要能夠進行對地軌道校正(Earth-bound maneuvers)、飛行時間要能夠持續300天以上、擁有將探測器準確射入火星軌道並使火星引力吸住的技術、在火星軌道上進行在軌探測的能力等;(2)與火星探測器進行深空通訊(Deep Space Communication)、導航、任務規劃、管理與操作等技術;(3)火星探測器要安裝自動反應裝置以因應緊急的突發狀況,以及自動進行故障檢測和修復等功能。

印度的火星軌道探測器稱為「曼加里安號」(Mangalyaan),又稱為火星飛船,重1350公斤,配備有5個印度自製的科學儀器[10],分別為:

(1)火星彩色相機

印度火星探測器搭載的第一個科學儀器為「火星彩色相機」(MarsColour Camera, MCC),專門用於拍攝與蒐集火星的表面特徵、組成與影像,適合用於監測火星的動態變化與天氣。[11]另外,火星彩色相機也將用於調查火星的兩顆衛星「福波斯」與「得摩斯」(Phobos and Deimos)[12]。再者,火星彩色相機也會提供火星的情境資訊給其他探測器上的科學儀器。[13](右圖:火星彩色相機。圖片來源::http://www.isro.org/)

(2)熱紅外線影像光譜儀

        印度火星探測器上的第二個科學儀器是「熱紅外線影像光譜儀」(Thermal Infrared Imaging Spectrometer, TIS),專門用於測量熱能的放射,可同時於白天和晚上運作。在熱能放射的測量中,溫度與放射率(emissivity)是兩個測量的基本物理參數,而許多礦物和土壤種類在熱紅外線下都會產生特殊的光譜特性。因此,熱紅外線影像光譜儀可以勘測火星表面的成分與礦物。[14](上圖:熱紅外線影像光譜儀。圖片來源:http://www.isro.org/)

(3)火星甲烷感應器

        印度火星探測器上的第三個科學儀器是「火星甲烷感應器」(Methane Sensor for Mars, MSM),專門用於測量火星大氣中是否有甲烷存在。甲烷感應器可以追蹤到十億分之一的甲烷含量,並找到它的來源。然而感應器必須要在光亮的環境下才能夠測量並取得數據,因為在光亮的環境下感應器才能測量太陽輻射的反射,而火星大氣層(atmosphere)中的甲烷濃度則會隨著時間與空間的改變而有所變化。[15](上圖:火星甲烷感應器。圖片來源:http://www.isro.org/)

(4)火星中性質量分析儀

印度火星探測器上的第四個科學儀器是「火星中性質量分析儀」(Mars Exospheric Neutral Composition Analyser, MENCA),火星中性質量分析儀是ㄧ個四倍數的質量光譜儀,能夠以單位質量分辨率在1至300 AMU(原子質量單位)的範圍中分析中性粒子的組成,預計將用來分析火星外大氣層(exosphere)內中性粒子的組成。[16](左圖:火星中性質量分析儀。圖片來源:http://www.isro.org/

 

(5)萊曼α光度計

印度火星探測器上的第五個科學儀器是「萊曼α光度計」(Lyman Alpha Photometer, LAP),它是ㄧ種電池吸收光度計,可以在火星的上大氣層內(通常指外大氣層與外大氣層的底部[17])從萊曼α的放射量中測量重氫(deuterium)和氫(hydrogen)的相對含量,而透過對重氫與氫含量比例(Deuterium to Hydrogen abundance Ratio, D/H)的測量,我們可以得知水分從行星流失的過程。[18](右圖:萊曼α光度計。(圖片來源:http://www.isro.org/)

4-2印度火星任務一覽表

科學儀器 科學儀器的用途 火星任務的目標[19]
1.火星彩色相機(Mars Color Camera, MCC) 拍攝與蒐集火星的表面特徵、組成與影像,適合用於監測火星的動態變化 一、科學目標

探索火星表面的若干特徵,包含拍攝火星表面的影像、測量火星表面的化學成份組成、分析火星大氣層內的成份

2.熱紅外線影像光譜儀(Thermal Infrared Imaging Spectrometer, TIS) 測量熱能的放射,藉此勘測火星表面的成份與礦物 二、技術目標

這次的火星任務以技術層面的目標為主,最基本的就是要使印度建立起環繞火星飛行的能力。具體目標如下:1.具備研製火星探測器的技術能力,而且探測器要能夠進行對地軌道校正(Earth-bound maneuvers)、飛行時間要能夠持續300天以上、擁有將探測器準確射入火星軌道並使火星引力吸住的技術、在火星軌道上進行在軌探測的能力

3.火星甲烷感應器(Methane Sensor for Mars, MSM) 測量火星大器中是否有甲烷存在 2.與火星探測器進行深空通訊、導航、任務規劃、管理與操作等技術
4.火星中性質量分析儀(Mars Exospheric Neutral Composition Analyser, MENCA) 將用來分析火星外大氣層(exosphere)內中性粒子的組成 3.火星探測器要安裝自動反應裝置以因應緊急的突發狀況,以及自動進行故障檢測和修復等功能
5.萊曼α光度計(Lyman Alpha Photometer, LAP) 可在火星的上大氣層內從萊曼α的放射量中測量重氫與氫的相對含量,而透過對重氫與氫含量比例的測量,可以得知水分從行星流失的過程  

(資料來源:作者自行整理)

印度太空探索的未來

這次進行的火星任務並不是印度進行的第一次太空探索任務,2008年的時候,印度便曾進行過所謂的月球任務,更計畫在未來進行第二次的月球任務,其中還預計使用登月小艇登陸月球,並釋放出月球探測車來進行科學實驗。觀察印度近來頻繁的太空探索任務,筆者認為印度的太空探索任務除了進行科學研究之外,也在凸顯自身的太空實力,向全球宣傳其設計與規劃太空探索任務的能力,爭取更多的太空合作夥伴與太空商業服務的客戶;再者,也可提升國家內部的士氣,藉此吸引更多的年輕人才加入該領域的研發。最後,太空探索任務能刺激國內相關企業及機構,使其能夠隨著印度太空探索任務提升相關的研發與製造能力,培養印度的工業能力。有鑑於上述原因,筆者認為印度的太空探索會因為這次火星任務的成功得到更多支持,進一步提高任務的複雜度以及探索更遠的宇宙。


延伸閱讀:

1.「印度發展太空計畫:有其必要性?」上、下篇 (全文網址:http://www.southasiawatch.tw/detail/555/1http://www.southasiawatch.tw/detail/592

2.「印度的衛星發射工業」(全文網址:http://www.southasiawatch.tw/detail/815/1


 


[2]“Manmohan formally announces India’s Mars mission,” The Hindu(2013/11/05), http://www.thehindu.com/sci-tech/science/article3775271.ece.

[3]管淑平,〈印中太空競賽印度扳回一城〉,《自由時報》(2013/11/6瀏覽),http://news.ltn.com.tw/news/world/paper/728070.

[4] 〈亞洲第一 印度探測船抵達火星〉,《自由時報》,2014年9月25日,版A11。

[6]“Mars Orbiter Mission: Objectives,” Indian Space Research Organization(2013/11/05), http://www.isro.org/pslv-c25/mission-objective.aspx.

[7]Ibid.

[8]Stephen Clark, “India’s First Mars Probe Begins Journey to Red Planet,” Space.Com(2013/11/05), http://www.space.com/23802-india-mars-probe-red-planet-journey.html.

[9]“Mars Orbiter Mission: Objectives,” Indian Space Research Organization, op. cit.

[10]“Satellites, Space Mission: Mars Orbiter Mission,” Indian Space Research Organization(2013/11/05),http://www.isro.org/satellites/mars-orbiter-spacecraft.aspx.

[11]“Mars Orbiter Mission: Payloads,” Indian Space Research Organization(2013/11/05), http://www.isro.org/pslv-c25/pdf/mom-payloads.pdf.

[12]火星目前已知擁有2顆衛星,分別是火星衛星1號與火星衛星2號,都是火星從小行星帶中捕獲的天體,這2顆衛星在1877年由美國天文學家阿薩夫‧霍爾(Asaph Hall)發現,後來分別以希臘神話中的神祇「福波斯」與「得摩斯」進行命名。(資料來源:Steven J. Dick, “Under the Moons of Mars”NASA(2013/11/05),http://www.nasa.gov/exploration/whyweexplore/Why_We_27.html.)

[13]“Mars Orbiter Mission: Payloads,” Indian Space Research Organization, op. cit.

[14]Ibid.

[15]Ibid.

[16]Ibid.

[17]外大氣層的下緣稱為「外氣層底」(exopause,也稱為exobase)。在地球的大氣層中,只要超過這個高度大氣溫度幾乎就不會再變化。在「外氣層底」(exobase)。在外氣層底這個名詞出現之前,外大氣層的下緣也稱為「臨界高度」(critical altitude),因為只要超出這個高度,所有的氣壓情況將不再適用於此環境下。(資料來源:Siegfried Bauer and Helmut Lammer, Planetary Aeronomy: Atmosphere Environments in Planetary Systems(New York: Springer, 2004))

[18]“Mars Orbiter Mission: Payloads,” Indian Space Research Organization, op. cit.

[19]印度火星任務的目標係指整體任務而言,並非單指特定科學儀器。

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