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登月计划,完成了三级跳中的第二跳。
第三跳是去月球上“小住”一段,也称驻月阶段。“驻(住)月”,包括两层含义,第一层的“驻”是指航天员带着设备降落到月球上,短期停留并把设备安置好,然后航天员很快返回地球,而科学设备就“驻”留在月球上,进行长期探测和研究。目前美国、欧洲实施的月球计划正在向“驻”月这个目标迈进;第二层的“住”是指在月球上建设短期有人的月球前哨站或永久性的月球基地,人类可以住在月球上生活和工作,全面开发、利用月球资源。
纵观人类探月活动的发展,各国都离不开“探”、“登”、“驻(住)”这三个阶段。其中“探”风险比较小,也最容易实现,美国、俄罗斯和欧洲都实现了“探”,而美国和俄罗斯对“探”的这一步做得非常充分,目前中国和印度等发展中国家也正在为实现“探”月目标而努力。
当前,我国正处在“探”这一阶段中,计划用15年的时间,分三步完成。
第一步,先派出环绕月亮飞行的探测器进行遥感探测,即“绕”月探测;
第二步,是实现软着陆探测器“落”在月球表面上,并实地考察月球;
第三步,探测器不但要降落在月球表面,而且要采集月球样品并送回地球,供人们研究。栾恩杰总指挥把我国无人月球探测的这三步走,形象地称为“绕”、“落”、“回”。
所谓“绕”,即“绕月探测”阶段,在2007年完成。中国发射的“嫦娥一号”月球探测器,实现环绕月球飞行,对月球进行综合性探测。这是中国的航天器第一次追逐地球以外的另一个星球,并为它描绘三维“地图”。这一阶段主要完成的科学任务为:
(1)为月球“?像”,即通过多种手段获取月球表面影像和立体图像;
(2)探测月球上的14种元素的资源量和分布;
(3)探测月球土壤的厚度;
(4)研究距离地球4万到40万千米范围的空间环境。
所谓“落”,即“月面软着陆探测与月面巡视勘察”阶段。2012年前后,中国将发射月球软着陆探测器,实现月球车或机器人在月球上登陆并自动巡视考察。在这一阶段,将试验月球软着陆技术;探测着陆区岩石的化学与矿物成分;测定着陆点的热流、岩石剩磁;探测月表的环境;进行高分辨率摄影和月岩的现场探测或采样分析。这一阶段的科学成果,将为月球基地的选址提供月面环境、地形、月岩的化学与物理性质等数据。具体的科学目标是:着陆区地貌与地质构造调查和综合研究;月球内部结构研究;日…地…月空间环境监测与月基天文观测,进行月面的勘察和分析。
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2007、2012、2017三步走(2)
从此,我国可获得自有的月球地质、资源图,中国的五星红旗将骄傲地留在月面上,我国将成为世界上重磅级月球国家。
所谓“回”,即“月面巡视勘察与采样返回”阶段。2017年前后,中国将发射可以自动返回地球的月球采样机器人,它们在月面搜集月壤和岩石,带回地球后供科学家开展深入的科学研究和资源利用评估,为下一步载人登月选址提供数据。具体的科学目标为:进行着陆区的探测与研究;采集月球样品并返回地面,对返回样品进行系统的岩石学、矿物学同位素地质和地球化学的分析与研究,结合月面物质成分的分析数据,深化月球和地月系统的起源与演化的认识。
探月三步走实际就是三期工程,它们绝不是凭空想象的。
那么,我国历时10年反复论证、正在紧锣密鼓实施的一期工程——“绕月探测”工程有什么特点呢?
绕月探测工程总指挥栾恩杰说得特别直白。第一,已?晚了,起点就要高。我们绝对要超越苏美早期的硬着陆和擦肩而过的近旁飞越阶段,直接进入绕月探测,探测的项目还要瞄准现在国际上正在进行或打算进行的项目;第二,既然是中国的探月,就要有点中国的特色。国外跳芭蕾舞,我们就舞龙舞狮子,总之干国外没有做过的事,有新创意,有新贡献。
为此,中国绕月探测工程锁定了多项工程目标和科学目标:
在工程目标方面,通过绕月探测工程,我国将在现有并且成熟的航天技术基础之上,研制和发射月球探测器,突破地…月飞行技术、远距离航天测控和通信技术、环月飞行技术、月球遥感技术等。最终,利用现有条件并通过适应性改造,建成我国月球探测航天工程的初步系统。
在科学目标方面,绕月探测工程锁定了四项目标:
第一项目标是绘制全月面的三维立体影像图。就像开车要有交通图,打仗要有地形图一样,我们必须有自己的月面资料,必须先给月球?一幅“肖像”。月球探测工程应用首席科学家欧阳院士曾动情地表示:“杨利伟升空后,许多人都问什么时候我们中国人能登上月球,我也想啊,但我们现在连一张属于自己的‘全月图’都没有,载人登月谈何容易。”
国外对月球已?绘制过不少平面图,但绘制的三维立体图不多。1994年和1998年美国“?”过两次,但没有?全。它绘制了从赤道到南北纬70度区域的三维图,但没能绘制更高纬度区域的清晰月图。另外,一张全月图是由许多局部地区遥感图拼接成的,美国的月图拼接处有缝隙,很多地方没?上。
“嫦娥一号”可以拍照到南北纬75度,比美国的多5度。中国科学家想了一个好办法,利用一个耗能极小的激光高度计配合CCD立体相机来拍摄月球的三维立体图像。激光高度计在月球上空将向月面发射激光,用激光测量照射点的高度。欧阳自远先生曾用自己的手掌打过一个比方:如果在手掌上测量一万个点,每个点的高度都测得很精细,当把这些高低不同的点集合起来时,很快就能绘出这个手掌的立体图。用同样的道理,可以绘制月球的三维立体图。有了月图,就能精细划分月球表面的基本构造和地貌单元,为日后中国月面着陆探测器在月球上软着陆选址和建设月球基地优选位置提供基础资料。
第二个目标是探测分析月球表面14种元素的含量和分布,掌握一些月宫宝藏的信息。美国1998年发射的月球探测器;详细研究了铁、钛、铀、钍、钾共5种元素的全球分布情况。“嫦娥一号”将探测14种比较有价值的元素,分别是:镁、锰、铝、硅、钙、钠、钛、氧、铁、钾、铬,还有放射性的钍、铀及稀土元素镧等。我们探测这些有用元素的储量和分布情况,就是要看看在月球表面有多少对人类有用的元素,特别是钛、铁等,富集区在哪里。“嫦娥一号”探测的14种元素中,有9种国外从未公布过详细的探测数据。有人问得尖锐:“美国干嘛只做5种?”欧阳自远先生答得幽默:“并不是他们的技术不行,而是他们感兴趣的就是这5种;中国感兴趣的多一点,因为你越测的多,反映月球表面的情况就越真实。”
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2007、2012、2017三步走(3)
第三个目标就是探测月球土壤的厚度,目前国外还没有对月球土壤厚度进行过大面积的测量。如果测出全月球月壤的厚度,就可以进一步地估算月球氦…3的资源量是100万吨,还是500万吨。掌握地球新能源的储量,事关人类的可持续发展。也许测量的误差会很大,但总比没有这个数据要好,这个数据可以预示今后月球究竟能为地球服务多少年,没准能得“诺贝尔可持续发展奖”。
可是,整个月球有四个中国面积那么大,过去苏联和美国仅在9个点上采过样,12名登月航天员在月球上度过的时间总和也不到两周;他们离开飞船的最远距离没有超过5英里,中国怎么一点一点地去全面测量月球呢?聪明的中国科学家发明了一种微波辐射技术,采用四种不同频率的微波来测月壤下面的那层岩石与卫星的距离,微波传下去以后,要反射回来,石头和土壤的反射信号是不一样的,只要测出这个界面离表面到底有多深,就知道月壤有多厚。用遥感的方法测月壤的数据,至今还没有先例。月壤中的氦…3来源于太阳风,虽然太阳风只照射在月球表面,但可怜的月球?常挨砸,小天体的撞击使得月球土壤平均每4亿年就要被彻底?动一次。月球如今已有46亿岁,月壤起码被?动了10次以上,就像农民犁地一样,?一次地就搅拌一次土,所以氦…3在月壤里已?被搅拌得相当均匀了。月壤的厚度计算出来,体积乘上单位面积含多少氦…3,月球表面氦…3储量的计算就不那么复杂了。这件事情,是中国人的专利,以前别人没有干过。
第四个目标是探测地月空间环境。“嫦娥一号”在奔月过程中,还可以顺路看看路上的“风景”,在此区域可探测太阳宇宙线高能粒子和太阳风等离子体,对太阳风开展研究;月球处于地球磁场空间的远磁尾区域,因此“嫦娥一号”还可研究地球磁场磁尾与月球的相互作用。中国的航天器以前最远只飞到7万千米,从来没有飞过38万千米远,7万米以外的环境如何还是个未知数,但那里的环境信息以及对地球的影响却十分重要,这属于一个新兴的学科——空间天气学。空间天气对人类的各项活动有着密切的联系,特别是灾害性空间环境,比如太阳耀斑对近地空间的人类航天活动、军事行动及?济生活会构成直接的威胁。嫦娥一号在飞向月球的5天时间里,将飞一路测一路,把太阳风和地球磁场的情况看一看,随时报告回来。所有这些探测和研究活动对于中国来说都是首次,是我国继近地空间环境探测之后,迈向深空探测的第一步。
在中国正在加紧探月一期“绕月探测工程”之时,二、三期工程的论证也走入了正轨,加快了论证的步伐。在2004年初,月球探测的第二三期工程论证工作,在国家中长期科技规划重大专项论证组主持下紧锣密鼓地展开了,成立了由著名航天控制专家屠善澄院士为组长的月球探测工程(二、三期)重大专项论证组。论证组根据重大专项应与?济社会发展相结合,与国家安全相结合,与可持续发展相结合的?则和突出重点、有所为有所不为的方针,对二、三期工程的内在意义、外延作用、可实现性以及是否具有中国特色、优势,是否符合世界发展趋势等方面充分听取了各方意见,仅听取70多个部门推荐专家的意见就历时整整一个月。最后,论证组慎重地向国家建议:“将月球探测工程(二、三期)重大专项列入国家中长期科学和技术发展规划,是必要的,可行的。”目前,第二、三期工程已?纳入“国家中长期科学和技术发展重大规划”。
有人挺着急:“我国现在为什么不直接登月?”
实现登月的一个重要前提是,同时具备载人航天能力和月球探测能力。
在载人航天能力上,我国还需要突破一系列的难关,比如说航天员的出舱、飞船的对接、大推力火箭的研制等等。在月球探测能力上,我国毕竟是第一次向月球发射探测卫星;对月球的了解非常有限,所以只有在基本完成三个阶段不载人月球探测任务后;再结合当时国际上月球探测发展情况和我国的国情国力,才能择机实施载人登月探测。
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2007、2012、2017三步走(4)
专家分析,中国载人登月大约在2020年以后。
月球探测一期工程——绕月探测工程
我国的月球探测一期工程,计划于2007年发射“嫦娥一号”月球探测卫星,实现绕月飞行,开展科学探测。“嫦娥一号”采用长征三号甲运载火箭,从西昌发射中心发射。
在完成星箭分离等动作后,卫星将进行一次远地点和三次近地点机动,轨道周期由16小时变为48小时。在实施完第三次近地点变轨后,卫星以约每秒千米的飞行速度进入地…月转移轨道。在此期间,根据飞行情况实施2到3次中途轨道修正,以保证正确进入月球轨道。
卫星在近月点附近?三次制动,进入轨道高度200公里,周期127分钟的极月圆轨道。卫星从发射到进入距地球约38万公里远的工作轨道,总时间约为10天。
为保证完成远距离测控任务,将利用我国现有的s频段航天测控网和甚长基线干涉天文测量系统,共同完成测控任务。
进入正常工作状态后,卫星要保证太阳电池阵对太阳、遥感探测器对月球和定向天线对地球的三体定向。
绕月卫星寿命为1年,利用CCD立体相机、激光高度计和成像光谱仪、微波探测仪、伽马/X射线谱仪、高能粒子探测器、低能离子探测器等科学仪器进行探测。
月球探