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),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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