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月球之謎與探月計劃
2009-07-23 | 瀏覽次數(shù):|【

|關(guān)于月球|人類探月的努力|探月的真正動力|新一輪探月高潮|中國的探月計劃|高能所承擔(dān)項目|

關(guān)于月球

多少年來,每當(dāng)晴朗之日的夜幕降臨,一輪明月或彎月懸掛在空中,它是那樣寧靜,那樣神秘。月亮是從哪里來的?月亮上有什么?人們總想揭開這個謎。在沒發(fā)明望遠鏡之前,人類只能用肉眼觀看月球,產(chǎn)生了很多幻想。古中國人編出了嫦娥奔月的美麗神話,而古希臘人則認(rèn)為月球里有一位美麗的狩獵女神阿爾忒彌斯。古往今來,人類為了探索月亮的秘密付出了巨大的努力!

伽里略的望遠鏡月球是離地球最近一個天體。意大利天文學(xué)家伽利略最早用望遠鏡觀察月球,他發(fā)現(xiàn)月球上有群山,有密如麻點般的坑洞--環(huán)形山。隨著科學(xué)的發(fā)展,人類逐漸對月球有了更多的了解。(左圖為伽里略自制的折射望遠鏡)

月球是地球唯一的一個衛(wèi)星,距地球約38.44萬公里,半徑約1740公里,是地球半徑的1/4左右,月球的質(zhì)量約等于地球質(zhì)量的1/81,體積只相當(dāng)于地球體積的1/49,表面積約為地球的1/14。同一個物體在月球所受的引力只有地球上的1/6。月球表面的溫度最高約127攝氏度,最低約-183攝氏度。 

月球環(huán)繞地球作橢圓運動,并伴隨地球繞太陽公轉(zhuǎn)。它自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)都是自西向東,轉(zhuǎn)動一周的時間都是27天7小時43分,月球的一天相當(dāng)于地球的一個月,月球總以它的同一半球面對著地球。

由于月球的引力小,大氣密度約為地球海平面的1萬億之一,空氣極為稀薄。正因為沒有大氣層的阻力,空中飛來的大小隕石毫無阻攔地與月球相撞,使月球傷痕累累,布滿了環(huán)形山(右圖)。沒有空氣傳送聲波,月球上萬籟俱寂。月球本身并不發(fā)光,沒有空氣的散射,太陽光比在地球上看到的要明亮一百倍,但天空卻永遠一片漆黑。正因為沒有空氣,月球上沒有藍天白云,沒有晴陰天之分。月球表面晝夜溫差很大。

環(huán)形山是碗狀凹坑結(jié)構(gòu),月球上直徑大于1公里的環(huán)形山有3萬3千多個,占月面表面積的7-10%,最大的是南極附近的貝利環(huán)行山,直徑295公里。月球上還有洋、海、灣、湖等各種名稱,其實月球表面并沒有水。月球上有22個月海,其實是廣闊的平原。最大的是風(fēng)暴洋,面積約500萬平方公里。

人類探月的努力

美國1958年8月18日發(fā)射的月球探測器由于第一級火箭升空時爆炸,半途夭折了。隨后又相繼發(fā)射的先鋒號(Pioneer)探測器,均未成功。1959年3月3日,先鋒4號探測器(外形為高51公分,底部直徑為23公分的圓錐形)(右圖)成功地從距月面59000公里處飛掠進入繞日軌道,成為美國第一個脫離地球重力的探測器,但未擊中月球。

月球空間探測的第一次高潮

1959年~1976年是月球空間探測的第一次高潮,在這期間,發(fā)展了月球硬著陸、軟著陸和繞月飛行技術(shù),并于1969年最終實現(xiàn)了人類登上月球的夙愿。六次Apollo載人登月飛船和三次Luna無人登月探測器采集了大量月球巖石、土壤樣品,通過對這些月球樣品的分析與系統(tǒng)研究,大大豐富與加深了人類對月球的認(rèn)識。

1959年1月2日,蘇聯(lián)發(fā)射了重361.3公斤的月球1號探測器(Luna)(左圖),首次成功脫離地球引力。裝有當(dāng)時最先進的通信、探測設(shè)備的月球1號1月4日從距月球表面7500千米的地方通過,但未能命中月球。

月球2號探測器(右圖)于1959年9月12日發(fā)射升空,兩天后飛抵月球,在月球表面的澄海硬著陸,成為到達月球的第一位使者,但它科學(xué)儀器艙內(nèi)的無線電通信裝置在撞擊月球后停止了工作。

月球3號探測器于1959年10月4日飛往月球,3天后環(huán)繞到月球背面,拍攝了第一張月球背面的照片。

1966年1月31日發(fā)射的月球9號成為世界上率先在月球軟著陸的探測器,它飛行79小時之后在月球的風(fēng)暴洋附近著陸,用攝像機拍攝了月面照片。探測器重1583公斤,在距月面75公里時,重100公斤的著陸艙與探測器本體分離著陸成功。

1970年9月12日發(fā)射的月球16號,9月20日在月面豐富海軟著陸,第一次使用鉆頭采集了120克月巖樣品帶回地球。

1970年11月10日發(fā)射的月球17號載著世界上第一輛自動月球車上天。月球車1號(lunokhod 1)(左圖)重756公斤,長2.2米,寬1.6米,裝有電視攝像機和核能源裝置。在月面雨海著陸后進行了10個半月的科學(xué)考察,它行程10540米,考察了8千平方米月面地域,拍攝了200幅月球全景照片和2萬多張月面照片,直到1971年10月4日核能耗盡才停止工作。

1973年1月8日發(fā)射的月球21號,把月球車2號(lunokhod 2)(右圖)送上月面,取得了更多成果。

從1958年-1976年,蘇聯(lián)共發(fā)射了24個月球號探測器,其中有18個完成了探測月球的任務(wù)。最后一個—月球24號探測器于1976年8月9日發(fā)射,8月18日在月面危海軟著陸,鉆采并帶回170克月巖樣品。至此,前蘇聯(lián)對月球的無人探測宣告完成。

宇宙號(Cosmos)系列及“探測器”(Zond)系列。

美國緊隨蘇聯(lián),先后發(fā)射了9個徘徊者號(Ranger)和7個勘測者號(Surveyor)月球探測器。徘徊者探測器樣子像蜻蜓,長3米,兩翼太陽能電池板展開4.75米。探測儀器裝在前部,電視攝像機放在尾部。最初的5個徘徊者探測器(左圖)均無建樹。勘測者探測器有3只腳,總重達1噸,裝有當(dāng)時最先進的探測設(shè)備。

徘徊者6號于1964年1月30日發(fā)射,成功地在月面靜海地區(qū)著陸,但由于電視攝像機出現(xiàn)故障,沒有能夠拍回照片。

1964年7月28日徘徊者7號發(fā)射成功,在月面云海著陸后拍攝到4308張月面特寫照片。

1965年2月17日、3月24日發(fā)射的徘徊者8號、9號,都在月球上著陸成功,并分別拍回7137張和5814張月面近景照片。

1966年5月30日,美國發(fā)射了新型探測器—勘測者1號(右圖為勘測者的月球車),經(jīng)過64小時飛行后在月面風(fēng)暴洋軟著陸,向地面發(fā)回11150張月面照片。到1968年1月1日發(fā)射的7個勘測者探測器中,有2個失敗,5個成功。

在此之后,美國發(fā)射了5個月球軌道環(huán)行器(Lunar Orbiter)(左圖),為阿波羅載人登月選擇著陸地點提供探測數(shù)據(jù)。

為了爭奪太空科技的領(lǐng)導(dǎo)地位,美國總統(tǒng)肯尼迪1961年5月25日在議會演講中說:“美國要在60年代末以前,讓人登上月球并安全返回地球?!睆拇?,美國耗資250億美元的“阿波羅”(Apollo)登月計劃開始了?!鞍⒉_”是希臘神話中掌管詩歌和音樂的太陽神的名字,它與月亮女神阿爾特彌斯是雙胞胎。以“阿波羅”作為登月計劃的名稱,意思是讓太陽神飛到月亮女神那兒去相逢。
  “阿波羅”計劃的目的是實現(xiàn)載人登月飛行和人對月球的實地考察,并為載人行星飛行和探測進行技術(shù)準(zhǔn)備。

1969年7月20日,“阿波羅”11號飛船載著3名宇航員,首次登上了月球,實現(xiàn)了人類夢寐以求的理想。(右圖為“阿波羅”11號及其登月艙)

1969年7月16日上午(美國東部時間),在肯尼迪宇宙飛行中心發(fā)射了“阿波羅”11號飛船。7月20日晚,"阿波羅"11號登月艙的4條著陸支架終于安全落在被稱為"靜海"的月球上。美國宇航員阿姆斯特朗在月球上踏下人類的第一個足印(左圖)。在此后2小時40分中,阿姆斯特朗和奧爾德林展開了太陽能電池陣,安設(shè)了月震儀和激光反射器,還采集了月球巖石和土壤的樣品,還與美國總統(tǒng)尼克松進行了電視談話。7月21日上午11時15分,登月艙飛離月面之后與繞月軌道上的飛船會合后安全返回。為紀(jì)念人類第一次登月成功,每年的7月20日定為“人類月球日”。

1972年12月6日“阿波羅17”號發(fā)射,12月12日登陸月球,開始了人類在月球上首次漫游,宇航員們乘坐月球車(右圖)旅行,在月球上鉆孔、取土樣,采集巖石標(biāo)本。這些標(biāo)本重114.8公斤。最為珍貴的是在一座火山口發(fā)現(xiàn)了橙黃色發(fā)亮的粉塵,證實月球上有火山活動的理論完全正確。12月19日,“阿波羅17”號安全返回地球。

到“阿波羅”17號登上月球為止,17次飛行試驗中第1次到第10次飛行專為登上月球作準(zhǔn)備(1-3號是試驗飛船,4-6號是無人飛船,7號飛船載人繞地球飛行,8-10號載人繞月飛行),11號至17號是載人登月飛行。

上圖由左至右分別為阿波羅9號、10號、11號、14號

除“阿波羅”13號飛船因中途發(fā)生故障被迫返回地球外,宇航員們6次登月在月球上停留的時間達300個小時,他們從月球上帶回大量巖石、土壤樣品,為人類研究月球提供了寶貴的資料?!鞍⒉_”計劃是世界航天史上具有劃時代意義的一項成就。

月球空間探測的寧靜期

1976年~1990年,世界各國均未發(fā)射月球探測器,月球空間探測進入寧靜期,科學(xué)家的工作重點側(cè)重于對第一次探月高潮期所獲取的大量數(shù)據(jù)進行分析、處理和總結(jié),并提升到理論認(rèn)識的高度。實際上,美國一直沒有停止過建立月球基地的準(zhǔn)備工作,先后進行過2次“生物圈”密閉生產(chǎn)系統(tǒng)試驗計劃。

1989年7月20日,在“阿波羅”飛船登月20周年之際,美國總統(tǒng)喬治.布什宣布了美國要重返月球,在月球上駐留并達到對火星的空間探測的構(gòu)想。蘇聯(lián)、歐洲、日本等都組織力量進行研究,紛紛提出了發(fā)展計劃。

新一輪月球空間探測高潮的起因

日本以較強的技力實力加快推行月球探測計劃,1990年1月,日本率先打破了美蘇壟斷,發(fā)射成功“飛天”號月球探測器,沿地-月軌道飛行,成為第三個發(fā)射月球探測器的國家。1993年飛天號撞上月球,結(jié)束了工作。

1996年10月日本宣布了建造永久月球基地的計劃(左圖為日本的月球基地設(shè)想圖),預(yù)計投資260多億美元,在未來30年內(nèi)建成月球基地,包括居住、氧氣和能源生產(chǎn)廠以及月球天文臺等。除發(fā)展新型運載技術(shù)外,將月球軟著陸和自主漫游車技術(shù)作為最主要的關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)。

1994年美國發(fā)射了“克萊門汀”號(Clementine)無人駕駛飛船(右圖),對月球的地形和成分進行了普查性的高精度探測,其目的是為在將來建立月球基地和月基天文臺作準(zhǔn)備。美國重返月球的長遠計劃分為三步:第一步,用機器人對月球進行探測;第二步,在航天員重新登上月球;在月球建立適于居住的前哨站,安裝科學(xué)儀器、月球取氧裝置等;第三步,建成一個擁有受控生態(tài)環(huán)境生命保障系統(tǒng)的月球基地,可從事科學(xué)研究,月面建筑和運輸、采礦及材料加工。

1995年3月,美國宣布了稱為“月球勘探者”(Lunar Prospector)(左圖)的月球飛行任務(wù),這項計劃耗資0.73億美元?!霸虑蚩碧秸摺敝丶s1956公斤,將被置于環(huán)月低高度(100公里)極軌道。攜帶的儀器有γ射線光譜儀、α粒子光譜儀、中子光譜儀、電子反射儀和磁強計,任務(wù)周期為一年。勘探者將對月球火山口的寒冷區(qū)和極區(qū)冰的含量進行測定,為今后有人基地的建立獲取資料,還將完成月球表面化學(xué)成分的測定、月球全球磁場和引力場的測繪。

月球勘探者”于1998年1月6日“成功發(fā)射升空,標(biāo)志著“重返月球”的開始。月球勘探者攜帶了α射線和中子分光儀,探測月球表層成分;地磁儀和電子反射儀,探測月磁場分布;α粒子分光儀,測定氣體釋放位置;多普勒S波段跟蹤儀提供引力場數(shù)據(jù)??巳R門汀與月球勘探者均發(fā)現(xiàn)在月球極地撞擊坑永久陰影區(qū)可能存在水冰,大大激發(fā)了世界各國對月球探測和開發(fā)的興趣,由此引發(fā)了新一輪的月球空間探測高潮。

探月的真正動力

探月一直是人類的理想,這不僅因為月球是地球的天然衛(wèi)星,更重要的還在于月球?qū)氋F的資源和月球位置的價值。通過觀測和“阿波羅”飛船登月帶回的土壤、石塊分析,月球塵土有一半是有棱有角的玻璃粉,還發(fā)現(xiàn)了從不生銹的鐵質(zhì)顆粒。月球上帶回來的塵土撒到地球的細菌上居然能使細菌全都死亡。月球中有火山爆發(fā)而形成的玄武巖,證明月球早先有過火山活動。分析這些巖石,估計出它的年齡已有46億歲了。但地球上只有在格陵蘭最偏僻的地方才能找到有40億年壽命的石塊。難道月球的年齡比地球的年齡大嗎?這些謎團長期困擾著科學(xué)界,而探月的真正動力還不止這些,月球資源已被世界所矚目,有空間技術(shù)能力的國家和地區(qū)都對月球資源產(chǎn)生了極大的興趣。

月球的礦產(chǎn)資源極為豐富,不僅擁有地球上最常見的17種元素,而且稀有金屬的儲藏量比地球還多。月球上的巖石主要有三種類型,第一種是富含鐵、鈦的月海玄武巖(僅月球表層5厘米厚的沙土就含有上億噸鐵,而整個月球表面平均有10米厚的沙土。);第二種是斜長巖,富含鉀、稀土和磷等,主要分布在月球高地;第三種主要是由0.1~1毫米的巖屑顆粒組成的角礫巖。月球巖石中含有地球中全部元素和幾十種礦物,其中有6種礦物是地球上沒有的。初步估算月巖中的稀土元素資源量可達225-450億噸,鈾的資源量約50億噸。玄武巖含鈦鐵礦可達25%(體積),礦石中富含二氧化鈦近100萬億噸。

月球土壤中含有豐富的氦3,這是一種比地球上核電站所用的氘原料的放射性要低得多的核材料,是核動力材料的理想資源。利用氘和氦3進行的氦聚變安全無污染,不僅可用于地面核電站,而且特別適合宇宙航行。月球表面的沙粒、巖石中,蘊藏了大量氦3,如果把氦3作為可控核聚變能源燃料,它將是人類社會長期的、穩(wěn)定的、安全的、清潔的、廉價的燃料資源,氦3 資源將有可能成為解決今后地球人類長期能源發(fā)展需求的重要原料。采用氘與氦3核聚變發(fā)電,全中國只需10多噸氦3,全世界只需100多噸,就能滿足每年的能源需求。據(jù)初步估算,月球上有100-500萬噸氦3資源量,能夠滿足地球上萬年的能源需求,許多航天大國將獲取氦3作為開發(fā)月球的重要目標(biāo)之一。

太陽能資源無窮無盡,月球上沒有空氣干擾,大量太陽能可直接傳過來。每年到達月球范圍內(nèi)的太陽光輻射能量大約為12萬億千瓦,假設(shè)使用目前光電轉(zhuǎn)化率為 20%的太陽能發(fā)電裝置,則每平方米太陽電池每小時可發(fā)電2.7千瓦時,若采用1000平方米的電池,則每小時可產(chǎn)生2700千瓦時的電能。

一旦月球獲得開發(fā),就能作為人類作為空間觀測、宇宙探索的理想基地。在月球上觀測其他星球,能更加清晰地觀測到更遙遠的地方。氧占月球土壤含量的40%,飛向其它行星的載人航天器如能在月球上補給氧,在地面起飛時可少帶6/7推進劑。月球引力只有地球引力的1/6,又無空氣,人類從月球上發(fā)射航天器航天器無須克服空氣阻力,可節(jié)省大量推進劑。

月球本身、月球上的和基于月球的科學(xué)研究問題(起源、演化、行星際…)

人類設(shè)想最終能在月球上落戶。

新一輪探月高潮

近年來,各國對月球的興趣大增,紛紛將月球探測作為發(fā)展航空航天的重點,美國、歐洲、日本和中國都相繼展開探月計劃。

2005年9月,美國宇航局公布了重返月球的詳細計劃,在2018年之前將4名宇航員送上月球,從2018年開始每年至少登月兩次。宇航員將乘坐高科技月球車勘察月球表面,為至今仍困擾研究人員的一些月球之謎尋找答案。宇航員還要在月球上從事多種科目的科學(xué)研究,并努力在月球上尋找可供以后航天飛行利用的資源。宇航局登月計劃的最后一步是在月球上建立一個由宇航員生活設(shè)施、發(fā)電站和通信站等部分組成的月球基地。此后逐步在月球上建立一個宇航員常駐基地,在此基礎(chǔ)上最終實現(xiàn)送6名宇航員登陸火星并在火星上常駐500天的計劃。

2006年3月,美國太空總署加州摩菲特研究中心展示了最新研制的可載六名宇航員的太空探測器微縮模型,直徑五點五米的新型太空探測器底部呈鈍型,可降落在水中和沙漠里,能減低返回地面重量增加著陸穩(wěn)定性,并可為空間站運輸加壓或常壓的貨物,同時便于擴展宇航員視野。

2005 年1月,日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)公布了未來20 年的太空開發(fā)遠景規(guī)劃草案,主要目標(biāo)是:建設(shè)無人月球基地、通過國際合作開展載人航天活動、建設(shè)作為小行星探測中轉(zhuǎn)站的深空港。大型繞月探測器“月女神”(SELENE)(右圖)將于2007年升空。此后將發(fā)射的月球-A(Lunar-A)(左圖)探測器在進入月球軌道后向月面投放2-3個用于研究月震及其他亞地表現(xiàn)象的穿透器,據(jù)稱它們發(fā)回的數(shù)據(jù)和信息的精確度將是“阿波羅”飛船的5倍。再陸續(xù)發(fā)射“月球先鋒”1~3探測器,其中包括將漫游車送上月球。2009-2010年將要進行“月女神”B計劃,包括月球車、月球望遠鏡研制計劃以及在月球表面建立科學(xué)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。2010-2020年建造月球天文臺。

歐洲各國也十分重視月球開發(fā),由于月球探測是投資大、周期長、開拓性強的重大工程,一些國家單靠自己的力量難以獨立實施,繼而尋求國際合作,期望以一定的投入占有一席之地,并分享研究成果。早在1975年5月,法國、德國、比利時、英國、荷蘭、西班牙、意大利、瑞士、瑞典和丹麥就簽署了建立歐洲空間局(ESA)的協(xié)定,歐洲空間局1994年提出了建立月球基地計劃,目前正在進行的關(guān)于月球的探測技術(shù)研究有兩項。

第一項是稱為“環(huán)月探測器”(Moro)的月球極軌衛(wèi)星,MORO由1個主衛(wèi)星和1個在低高度月球極軌道運行的子衛(wèi)星組成,目的是確定月球表面全球特性和研究月球內(nèi)部,它們攜帶了立體成像相機、紅外與紫外光譜儀、微波儀、γ射線光譜儀等4種儀器,可獲三維高分辨率圖像,測量重力場,為研究月球的形成和演化提供數(shù)據(jù)。

第二項是不載人月球著陸器計劃,稱為“月球歐洲演示器”(LEDA)。該演示器起飛質(zhì)量3.3噸,帶有漫游車的著陸器,裝備有月面巡視車、機械臂、土壤處理試驗裝置以及用于現(xiàn)場測量的儀器。計劃在月球南極區(qū)域降落,目的是掌握月面軟著陸技術(shù)和月面移動能力,考察月球南極地區(qū)的地形、地貌,為未來建立月球基地積累數(shù)據(jù)資料。

2003年9月,歐洲第一個月球探測器—智慧1號(SMART-1)(右圖)月球探測器發(fā)射升空飛向月球,它全部由低成本、小型化的尖端技術(shù)部件構(gòu)成,造價約1.1億歐元。探測器的重量僅為367公斤,體積約1立方米,兩個太陽能電池板伸展開后長約14米。它是世界上第一個采用太陽能電推進系統(tǒng)的空間探測器,飛向月球的軌跡十分復(fù)雜和漫長。2004年11月15日進入繞月軌道,在飛行過程中已經(jīng)成功實現(xiàn)了空間激光通信聯(lián)絡(luò)。SMART-1將繞月球運行,利用SIR分光儀分析月球表面的化學(xué)成分,并收集月球上是否存在水的證據(jù),從而為人類是否要在月球上建立永久性基地提供各種數(shù)據(jù)資料。

2004年2月3日,歐洲空間局宣布了先載人登上月球、再載人飛火星的“曙光女神”(Aurora)計劃,目標(biāo)是2011-2014年發(fā)射一個火星探測器,將火星巖石標(biāo)本帶回地球分析;在2020-2025年實現(xiàn)載人登月;在2030-2035年發(fā)射載人火星探測器,將歐洲航天員送上火星,尋找生命的跡象。這份計劃比美國龐大的“空間探索新計劃”更為細致。

2003 年11月,印度空間研究組織宣布,將于2008年發(fā)射 “ 月球飛船 ”1號(Chandrayaan I)探測器(右圖)。該探測器重 525公斤,它將進入月球軌道,拍攝可見光、近紅外及 X 射線月球圖像。印度計劃于2015 年前向月球發(fā)送航天員。印度的登月計劃將與俄羅斯合作。

俄羅斯前些年由于經(jīng)濟條件制約,沒有明確的探月計劃,只提出了利用聯(lián)盟號載人飛船開發(fā)月球旅游的計劃。游客搭乘聯(lián)盟號飛船升空后先前往國際空間站;在站內(nèi)停留一周之后再乘坐聯(lián)盟號飛船前往月球,但不在月球表面著陸,而是只對月球進行近距離參觀,大約一周后返回。月球旅游需支付1億美元。2006年4月,俄羅斯公布了一項宏偉的計劃,2015年前實現(xiàn)登月,希望于2020年在月球建立一個永久的基地,包括一個核電廠機器設(shè)備,開發(fā)月球上的氦3作為能源以滿足地球的能源需要,在2020-2030年實現(xiàn)向火星發(fā)射載人航天器。

中國于2004年2月25日宣布正式實施繞月探測工程,并命名為“嫦娥工程”。嫦娥1號月球探測器采用三軸穩(wěn)定方式對月定向工作。計劃在2007年發(fā)射,運行在距月面200千米高的極月圓軌道上。

縱觀世界各國21世紀(jì)月球探測計劃,表明人類有信心以新的姿態(tài)踏上月球,與初期月球探測相比,目標(biāo)更明確,規(guī)模更宏大,參與國家更多。月球不屬于任何國家,誰先利用它,誰先獲益。 

中國的探月計劃 

重返月球,開發(fā)月球資源,建立月球基地已成為世界航天活動的發(fā)展趨勢和熱點。中國在發(fā)展人造地球衛(wèi)星和載人航天之后,開展以月球探測為主的深空探測,是我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展和航天活動的必然選擇,也是我國航天事業(yè)持續(xù)發(fā)展,有所作為、有所創(chuàng)新的重大舉措。

中國人為何探月?

中國在應(yīng)用衛(wèi)星技術(shù)方面已有30多年的成功經(jīng)驗,隨著載人航天取得重大的突破,目前只有深空探測尚未開展。深空探測是航天活動的重要領(lǐng)域之一,月球探測是深空探測的起點,是一個國家綜合國力和科學(xué)技術(shù)水平的重要體現(xiàn),中國理應(yīng)在月球探測領(lǐng)域占有一席之地。

開展月球探測將填補我國在月球及行星探測方面的空白,為中國改變航天領(lǐng)域的落后局面,迎頭趕上國際先進水平提供了良好的機遇,有利于進一步確立我國的地位,擴大中國在全球的影響。我國第一顆人造地球衛(wèi)星和第一艘載人實驗飛船的成功發(fā)射是中國航天發(fā)展史中的兩個重要里程碑,探月工程將成為中國在航天技術(shù)發(fā)展里程中的又一塊里程碑。載人航天距地球飛行的軌道是200-300公里,應(yīng)用衛(wèi)星所達到的軌道高度是3-4萬公里,而月球探測所需要的距離將近40萬公里,這將使中國航天技術(shù)水平得到比較大的提升,也為中國對宇宙空間的認(rèn)識提供一個比較好的平臺。

月球探測工程是一項多學(xué)科、高科技集成的系統(tǒng)工程,實施這樣的戰(zhàn)略工程,將推進航天工程系統(tǒng)集成、深空測控通信、新型運載火箭和航天發(fā)射等航天技術(shù)實現(xiàn)跨越式發(fā)展,從而保持中國進入空間能力的不斷提高。同時,探月工程也必將帶動信息、材料、能源、微機電、遙科學(xué)等其它新技術(shù)的提高,對于促進中國社會經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。探月工程還將促進中國基礎(chǔ)科學(xué)的全面發(fā)展。月球是研究天體物理學(xué)、天文學(xué)和材料科學(xué)的“沃土”,月球探測將推進宇宙學(xué)、比較行星學(xué)、月球科學(xué)、地球行星科學(xué)、空間物理學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境學(xué)等學(xué)科的發(fā)展,而這些學(xué)科的發(fā)展又將帶動更多學(xué)科的交叉滲透。

中國探月萬事俱備

從1962年,我國科學(xué)界就開始了對“月球號”、“徘徊者”、“勘測者”、“月球軌道”和“阿波羅”等月球系列探測器進行跟蹤性與綜合性研究,參與了Apollo-17樣品的研究工作,與美國、英國、德國、俄羅斯、日本開發(fā)了不同程度的合作性研究,積累了相當(dāng)?shù)难芯炕A(chǔ),形成了一批年齡和知識結(jié)構(gòu)合理的基礎(chǔ)研究隊伍。在工程技術(shù)方面,我國現(xiàn)有的運載火箭與發(fā)射揚能適應(yīng)發(fā)射月球探測器的基本要求;月球探測器的各分系統(tǒng)如結(jié)構(gòu)、熱控制、姿控、軌控、電源、測控、數(shù)據(jù)管理等系統(tǒng)大部分可繼承已有的研制成果;我國已具有多年研制空環(huán)境探測器和空間遙感器的能力與經(jīng)驗;我國現(xiàn)有的地球測控網(wǎng)完全能完成月球探測、遙測、遙控。所有這些都為實施我國月球探測任務(wù)提供了必要的基礎(chǔ)設(shè)施。中國開展月球探測已經(jīng)具備了相當(dāng)?shù)膶嵙Α?/FONT>

中國探月三步走

綜合國際上月球探測的成果及世界各國“重返月球”的戰(zhàn)略目標(biāo)和實施計劃,根據(jù)我國的科技水平、綜合國力和國家整體發(fā)展戰(zhàn)略,近期的月球探測以不載人月球探測為宗旨,分為“繞”、“落”、“回”三步。(左圖)

繞:3年內(nèi),中國的第一個月球探測器將開始繞月飛行,命名為“嫦娥1號”。它將對月球進行全球性、整體性與綜合性探測。主要目標(biāo)是:獲取月球三維立體圖像,并對月球表面的環(huán)境、地貌、地形、地質(zhì)構(gòu)造與物理場進行探測。

落:預(yù)計在2012年發(fā)射月球軟著陸器,屆時軟著陸器將攜帶月球車一起登陸月球,對月球進行月面巡視勘察,勘測著陸區(qū)域的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖石成分與分布,就位探測月壤層和月殼的厚度與結(jié)構(gòu),記錄小天體撞擊和月震,開展月基極紫外、低頻射電和光學(xué)天文觀測,并為月球基地的選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在月球表面選擇新的區(qū)域降落,展開科學(xué)考察。

回:2020年之前,發(fā)射小型采樣返回艙,采集關(guān)鍵性月球樣品返回地球,進行系統(tǒng)深入研究。

在基本完成不載人月球探測任務(wù)后,根據(jù)當(dāng)時國際上月球探測發(fā)展情況和中國的國情國力,可進一步研究擬定中國載人月球探測戰(zhàn)略目標(biāo)和發(fā)展規(guī)劃,擇機實施載人登月探測以及與有關(guān)國家共建月球基地。

載人登月技術(shù)要求非常高,最基本要求是人要安全返回地球。由于沿途沒有加油站,回來的東西都要帶上,包括火箭,所帶東西至少要30多噸重,因此必須要有運載能力強的火箭。載人登月至少要帶2個飛船,30多噸的東西發(fā)射到月球后飛船要分離,一個留軌艙繞著月球轉(zhuǎn),另一個登月艙降落到月球上。登月艙飛船要平穩(wěn)安全降落在月球表面,宇航員要出艙進行考察和取樣等工作,還要返回登月艙,發(fā)動火箭進入繞月軌道,并與留軌艙對接;宇航員進入留軌艙后,拋射登月艙,發(fā)射火箭使留軌艙離開繞月軌道,返回地球。

“嫦娥1號”的四大科學(xué)目標(biāo)

我國的第一個月球探測衛(wèi)星要在確保成功的基礎(chǔ)上,優(yōu)選探測目標(biāo),確保重點,探測內(nèi)容既與國際接軌,又要具有特色,不完全重復(fù)其他國家做過的工作,為月球研究和“重返月球”提供前所未有的資料,奠定我國月球探測和深空探測的地位和特色,嫦娥1號的四大科學(xué)目標(biāo)為:

1.獲取月球表面三維影像圖。其它國家已做過的圖像中存在很多空白區(qū),我們的目標(biāo)是不僅要完全覆蓋全部月球,還包括從沒有涉足的南北極部分區(qū)域。在中國版圖內(nèi)能接收月球探測衛(wèi)星信號的時間每天平均只有4小時,所以接收大量衛(wèi)星數(shù)據(jù)并迅速作出分析,將是形成月球數(shù)字圖像的關(guān)鍵。

2.分析月球表面有用元素含量和物質(zhì)類型的分布特點。美國曾經(jīng)對月球上5種有用元素做過分布規(guī)律與含量的探測,我們的目標(biāo)是擴大到14種元素,對月球的一些有用資源進行更為全面的前景評估。還將進行國外無人涉足的月球土壤層厚度的測量,對計算月球氦3的確切含量意義重大。右圖為“嫦娥1號”衛(wèi)星模擬圖

3.首次開展月球表面的微波輻射探測;

4.探測地月空間環(huán)境,這是我國首次在地球靜止軌道以外獲取空間環(huán)境數(shù)據(jù),對于地球環(huán)境和人類社會的發(fā)展都至關(guān)重要。

“嫦娥1號”的五大工程目標(biāo)

1.突破月球探測的關(guān)鍵技術(shù),包括研究地-月飛行技術(shù),驗證航天器飛出地球并進入其他天體引力場的軌道設(shè)計與GNC系統(tǒng)技術(shù)。

2.實施遠距離測控和通信,為深空測控與通信打下技術(shù)基礎(chǔ);研究月球飛行的熱環(huán)境條件,驗證航天器的熱設(shè)計,探索深空探測器的熱控解決途徑等。

3.初步建立我國的月球探測工程大系統(tǒng),包括運載火箭、衛(wèi)星、發(fā)射場、地面測控系統(tǒng)和地面應(yīng)用系統(tǒng),根據(jù)月球探測的特點進行相應(yīng)的整合與適應(yīng)性修改,初步建立適應(yīng)未來發(fā)展的工程大系統(tǒng)。

4.驗證各項關(guān)鍵技術(shù),獲取月球探測的寶貴工程實踐經(jīng)驗,為未來探測積累技術(shù)基礎(chǔ)。

5.初步建立我國探月技術(shù)研制體系,培養(yǎng)相應(yīng)的人才隊伍,推動探月活動的進一步開展。

“嫦娥1號”飛行的三個階段

“嫦娥1號”繞月工程總投資14億元,整個飛行過程主要分為三個階段。

1.調(diào)整軌道段:探月衛(wèi)星被發(fā)射后進入地球同步橢圓軌道,探月衛(wèi)星與運載火箭分離后,在近地點通過三次變軌脫離地球軌道,進入地月轉(zhuǎn)移軌道;

2.地月轉(zhuǎn)移軌道段:探月衛(wèi)星要飛行5到6天,在進入地月轉(zhuǎn)移軌道后,衛(wèi)星通過自帶發(fā)動機的調(diào)整有1次或更多次的軌道修正,以確保正確進入預(yù)定月球軌道;

3.環(huán)月軌道段:當(dāng)衛(wèi)星接近月球時,依靠反向助推開始減速制動,最終到達高度為200千米的月球極月圓軌道,進入正常工作狀態(tài)。(左圖為嫦娥1號發(fā)射步驟示意圖)

“嫦娥1號”月球探測衛(wèi)星已完成方案設(shè)計和初樣設(shè)計,各項專業(yè)試驗正在進行,計劃2007年發(fā)射?! ?/FONT>

高能所承擔(dān)項目——嫦娥1號的重要有效載荷

嫦娥1號計劃在軌飛行一年,將搭載7種有效載荷,包括用于月球表面三維影像探測的CCD相機和激光高度計、用于月表化學(xué)元素與物質(zhì)探測的成像光譜儀和γ/X射線儀、用于月壤厚度探測的微波探測儀、用于地月空間環(huán)境探測的太陽高能粒子探測器和太陽風(fēng)粒子探測器,四大科學(xué)目標(biāo)將通過它們實現(xiàn)。

中科院高能所承擔(dān)的X射線成像譜儀是嫦娥1號衛(wèi)星的重要有效載荷之一。它是一個寬譜段、高靈敏度、高可靠性的熒光X射線探測系統(tǒng),ihep-dimianbiaoding.jpg (33250 字節(jié))綜合了新型的X射線成像技術(shù)、磁場屏蔽技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及處理方法等,用于探測月表元素受太陽X射線或宇宙射線激發(fā)產(chǎn)生的和天然放射元素輻射的X射線,通過數(shù)據(jù)處理獲得月表主要元素的含量和分布,從而確定月球表面位置類型和資源分布;實現(xiàn)對1-60 keV能區(qū)全月面的成象觀測,得到X射線月貌圖和輻射能譜分布。其中在10-60 keV能段,將是人類首次在環(huán)月軌道上對月面的觀測,很有可能會有想象不到的新發(fā)現(xiàn)。(右圖為研制中的樣機,左圖為地面標(biāo)定實驗)

 

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