“嫦娥”的使命

蔡如鵬

如果太空是一片浩瀚的海洋，那么月球就是離人類最近的島嶼。想出海，就必須先踏足這座島嶼。

“嫦娥一號(hào)”工程的核心就是為了實(shí)現(xiàn)從地球到月球的星際飛行。月球探測(cè)工程是中國(guó)頭一次飛離地球，對(duì)地外星體進(jìn)行探測(cè)。

人類第一次對(duì)月球表面進(jìn)行全月面三維立體照相

中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所研究員歐陽自遠(yuǎn)院士，是“嫦娥工程”月球應(yīng)用科學(xué)首席科學(xué)家。他在接受《新京報(bào)》采訪時(shí)回憶，2004年1月國(guó)務(wù)院正式批準(zhǔn)繞月探測(cè)工程立項(xiàng)，此前“整整醞釀了10年”。這期間，爭(zhēng)議最大的就是“上月球干什么”。

1997年香港回歸前夕，有人提出利用運(yùn)載火箭往月球上發(fā)射一個(gè)象征中國(guó)的鐵質(zhì)標(biāo)志，永遠(yuǎn)將其“烙”在月球上，以揚(yáng)國(guó)威、鼓志氣。一些學(xué)者甚至向中央打了申請(qǐng)報(bào)告，計(jì)劃在香港回歸前完成發(fā)射任務(wù)，這個(gè)設(shè)想當(dāng)時(shí)在科學(xué)界引發(fā)巨大爭(zhēng)議，

“這完全是從政治角度考慮的，基本上沒有什么科學(xué)研究?jī)r(jià)值。所以當(dāng)報(bào)告打到中央后，被時(shí)任國(guó)務(wù)院總理的李鵬同志否決了?！睔W陽自遠(yuǎn)說。

這次“嫦娥一號(hào)”明確提出了四項(xiàng)科學(xué)目標(biāo)：

獲取月球表面三維影像，

分析月球表面有用元素含量和物質(zhì)類型的分布特點(diǎn)，

探測(cè)月壤特性；

探測(cè)地球至月球的空間環(huán)境。

與上世紀(jì)六七十年代蘇聯(lián)和美國(guó)探月相比，這次“嫦娥一號(hào)”探月除了一些必要的重復(fù)性、確認(rèn)性的探測(cè)內(nèi)容外，將是人類第一次對(duì)月球表面進(jìn)行全月面三維立體照相。

國(guó)家天文臺(tái)研究員李競(jìng)評(píng)價(jià)說，月球表面影像“從二維到三維，完全不一樣。三維立體照相用處很大，對(duì)將來進(jìn)一步探月，都是重要的基礎(chǔ)建設(shè)?！?/p>

繞月探測(cè)工程衛(wèi)星系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師孫輝先透露，“嫦娥一號(hào)”將利用月球的自轉(zhuǎn)完成對(duì)整個(gè)月面的覆蓋觀測(cè)，分辨率在120米左右。

“盡管人類已經(jīng)向月球發(fā)射了近百個(gè)探測(cè)器，但仍有不少基本的問題沒有定論?！北本┐髮W(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授焦維新說，比如月球上最高的山有多高，有說八千米的，有說七千米的，有說五六千米的，相差很大。

為了完成四項(xiàng)科學(xué)目標(biāo)，“嫦娥一號(hào)”上搭載了6套24件科學(xué)探測(cè)儀器(也稱有效載荷)，包括CCD立體相機(jī)、激光高度計(jì)、成像光譜儀、伽馬／X射線譜儀、微波探測(cè)儀、太陽高能粒子探測(cè)器和低能離子探測(cè)器等。

CCD立體相機(jī)，是拍攝月球表面三維影像的專用相機(jī)，在中國(guó)屬首次使用；

伽馬／X射線譜儀用于探測(cè)月球表面元素；

微波探測(cè)儀除用于獲取月壤厚度信息外，還能給出月球背面的亮度溫度圖和月球兩極地面的信息。

這些探測(cè)儀器“總的來說，與國(guó)際上當(dāng)前同類儀器的研制水平相當(dāng)”，孫輝先說，有些方面還有創(chuàng)新，比如這次“使用的伽馬／X射線譜儀探測(cè)的分辨率和靈敏度，比國(guó)際上以往月球探測(cè)中使用的同類儀器要高，所以可能探測(cè)到更多的元素。”

與日本9月14日發(fā)射的“月亮女神”探測(cè)器相比，孫輝光認(rèn)為，兩者的探測(cè)目標(biāo)互補(bǔ)。

“月亮女神”除主星外還有兩個(gè)小衛(wèi)星，是一箭三星，探測(cè)月表元素、礦物、月球空間環(huán)境等目標(biāo)，與“嫦娥一號(hào)”相近，但“嫦娥一號(hào)”有探測(cè)月壤厚度的目標(biāo)，“門亮女神”沒有；“月亮女神”有探測(cè)月球結(jié)構(gòu)的目標(biāo)，“嫦娥一號(hào)”沒有。

如果控制不好，就會(huì)出現(xiàn)撞擊月球或飛離月球的可能

與中國(guó)已發(fā)射的近百顆人造衛(wèi)星和六艘飛船相比，“嫦娥一號(hào)”將飛得更遠(yuǎn)、更快。它的目的地是距地球38.4萬公里之遙的月球，而“神舟”飛船的軌道離地面只有300多公里。

焦維新教授告訴記者：“在探月工程之前，中國(guó)把衛(wèi)星送至的最遠(yuǎn)距離大約是7萬公里?！?/p>

飛得越遠(yuǎn)，需要擺脫的地球引力束縛越大。根據(jù)物理學(xué)家的計(jì)算，要想把一個(gè)物體發(fā)射到太空中，至少要達(dá)到2.8萬公里的時(shí)速(即第一宇宙速度7.9公里／秒)才能進(jìn)入近地軌道。

“嫦娥一號(hào)”雖然仍沒有完全擺脫地球引力的束縛，但它需要從近地軌道轉(zhuǎn)移至環(huán)月軌道，因此，在太空中飛行的最高速度也要大大超過所有的近地衛(wèi)星。

據(jù)繞月探測(cè)工程衛(wèi)星系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師孫澤訓(xùn)透露，“嫦娥一號(hào)”在地月轉(zhuǎn)移軌道人口的速度會(huì)達(dá)到10.9公里／秒左右。

“衛(wèi)星從地球往月球轉(zhuǎn)移的軌道，稱之為地月轉(zhuǎn)移軌道?！苯咕S新教授解釋說——“嫦娥一號(hào)”發(fā)射后，先進(jìn)入距離地面200公里的停泊軌道，圍繞地球旋轉(zhuǎn)，然后，等待時(shí)機(jī)加速轉(zhuǎn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。最后，達(dá)到月球附近時(shí)，減速切人環(huán)月軌道，執(zhí)行對(duì)月球的探測(cè)任務(wù)。

在進(jìn)入環(huán)月軌道前，“嫦娥一號(hào)”需要進(jìn)行9至10次的變軌。其中最為關(guān)鍵的是進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道時(shí)的變軌，以及進(jìn)入環(huán)月軌道時(shí)的變軌。

這兩次變軌均具有短暫性和惟一性的特點(diǎn)。如果控制不好，就會(huì)出現(xiàn)撞擊月球或飛離月球的可能。因?yàn)?，“嫦娥一?hào)”的飛行路線并不是一條直線，所以它的飛行距離遠(yuǎn)不止38.4萬公里。在這樣漫長(zhǎng)、復(fù)雜的太空旅程中，軌道的設(shè)計(jì)以及途中對(duì)火箭和衛(wèi)星的控制、測(cè)量都是需要面對(duì)的難關(guān)。

“火箭與衛(wèi)星在飛行當(dāng)中必須有一個(gè)參考系，就像船在大海航行，必須有個(gè)燈塔指令航程，所以飛行過程中需要很多的參考機(jī)制，這些都是控制上的問題?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院火箭彈道設(shè)計(jì)專家余夢(mèng)倫說。

上世紀(jì)六七十年代，美國(guó)“阿波羅”載人飛船在軌道設(shè)計(jì)時(shí)，從宇航員保障考慮，盡量縮短行程的時(shí)間，來回只用了8天3小時(shí)18分鐘，焦維新介紹說。

這次“嫦娥一號(hào)”在軌道設(shè)計(jì)上，對(duì)時(shí)間的考慮則顯得從容得多?！帮w到月球附近需要10至12天?！崩@月探測(cè)工程衛(wèi)星系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師孫澤洲說。

談到與阿波羅計(jì)劃的區(qū)別，焦維新說：“雖然軌道大同小異，但我們(指‘嫦娥一號(hào)衛(wèi)星)不是進(jìn)入停泊軌道以后就直接加速進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，還要經(jīng)過幾個(gè)大橢圓軌道，等待最佳變軌時(shí)機(jī)，這樣既便于控制，又可以節(jié)省燃料。”

他進(jìn)一步解釋說，衛(wèi)星在停泊軌道的速度大約是7.7公里／秒，如果一下子加大到進(jìn)入地月軌道時(shí)所需的10.9公里／秒，速度的增幅過大，控制難度較大。但通過多次加速，經(jīng)過幾個(gè)大橢圓軌道，每次速度提高一點(diǎn)，便于控制。同時(shí)，選擇最佳時(shí)機(jī)變軌，可以盡量減少對(duì)衛(wèi)星速度的調(diào)節(jié)次數(shù)，降低能量的消耗。

除了軌道設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)之外，余夢(mèng)倫指出，衛(wèi)星是否適應(yīng)此前沒有遇到過的深空環(huán)境以及實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的通訊，都是將要面臨的考驗(yàn)。

月球上有很多礦產(chǎn)資源，特別是月壤中的氦-3

“嫦娥一號(hào)”完成繞月探測(cè)任務(wù)后，中國(guó)的探月工程將展開新的目標(biāo)。《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020年)》中，月球探測(cè)工程被設(shè)想為三期，簡(jiǎn)稱為“繞、落、回”三步，2020年前后完成。

但載人登月尚未列入計(jì)劃之中。

第二步為“落”，即發(fā)射月球軟著陸器，并攜帶月球巡視勘察器(俗稱月球車)，在著陸器落區(qū)附近進(jìn)行就位探測(cè)，這一階段將主要突破在地外天體上實(shí)施軟著陸技術(shù)和自動(dòng)巡視勘測(cè)技術(shù)。

第三步為“回”，即發(fā)射月球釆樣返回器，軟著陸在月球表面特定區(qū)域，并進(jìn)行分析采樣，然后將月球樣品帶回地球，在地面上對(duì)樣品進(jìn)行詳細(xì)研究。這一步將主要突破返回器自地外天體自動(dòng)返回地球的技術(shù)。

這三個(gè)階段的關(guān)系是遞進(jìn)銜接，每一步都對(duì)前一步深化，并為下一步奠定基礎(chǔ)。“繞”是全球性、整體性與綜合普查；“落”是區(qū)域性精細(xì)就位分析，“回”是樣品返回地面后的試驗(yàn)室精準(zhǔn)分析。

中國(guó)的探月工程也把目標(biāo)直接指向了月球上的資源。中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所研究員歐陽自遠(yuǎn)院士多次表示，月球上有很多礦產(chǎn)資源，特別是月壤中的氦一3，是地球上稀有的核聚變?nèi)剂稀６版隙鹨惶?hào)”的任務(wù)之一就是探測(cè)月壤特性。

也有科學(xué)家認(rèn)為探月計(jì)劃的目標(biāo)不宜定位為月球資源開發(fā)，首先要考慮成本，現(xiàn)在地面上的氘和氚資源很豐富，電解后就可以使用，到月球上開發(fā)氦-3缺乏可行性論證。

但爭(zhēng)議無法阻止人類探月的腳步。焦維新的這段話或許說明了其中的緣由：“如果太空是一片浩瀚的海洋，那么月球就是離我們最近的島嶼。想出海，怎么能不先踏足這座島嶼呢?”