為“嫦娥”奔月保駕護(hù)航

□ 龔建村 劉四清

2010年金秋，“嫦娥二號”衛(wèi)星將再次造訪月宮，與“嫦娥一號”不同，“嫦娥二號”將被直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道，奔向月球。就如我們外出旅行要關(guān)注天氣的變化一樣，“嫦娥二號”衛(wèi)星在發(fā)射運(yùn)行期間，將會遭遇到怎樣的空間環(huán)境？是“風(fēng)和日麗”還是“雷電交加”？面對讀者感興趣的問題，本刊特邀中科院空間中心專家為我們一一解開這些疑惑。

猶如我們在地球上可能遭受到風(fēng)霜雨雪，月球探測器在廣袤的地球外空間旅行，也可能遭遇到別樣的“風(fēng)云雷電”。因此，就如我們外出旅行要關(guān)注天氣的變化一樣，月球探測器的發(fā)射運(yùn)行中，也需要監(jiān)視、預(yù)報旅途可能遭遇的空間環(huán)境，才能為奔月之旅鋪就坦途。

“嫦娥一號”：在風(fēng)和日麗中完成了對月探測

2007年10月24日，“嫦娥一號”衛(wèi)星發(fā)射升空。衛(wèi)星首先進(jìn)入了近地空間區(qū)域，并環(huán)繞地球運(yùn)行七天。我們知道，地球的大氣層上方并不平靜，這里存在一個受地磁場束縛而充滿了很高能量粒子的區(qū)域——輻射帶。自1959年美國的地球衛(wèi)星探測器證實(shí)它的存在至今，輻射帶一直都是各航天國家關(guān)注的焦點(diǎn)之一，因?yàn)樵谶@個區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量巨大，而強(qiáng)的輻射環(huán)境會對衛(wèi)星的正常運(yùn)行帶來不利影響。特別是有太陽爆發(fā)引起地球空間環(huán)境劇烈變化時，輻射帶的區(qū)域會擴(kuò)展，里面的粒子數(shù)目和能量都會增強(qiáng)，對衛(wèi)星的影響也更大。

在這七天的時間里，“嫦娥一號”衛(wèi)星多次穿越輻射帶，幸運(yùn)的是這段時間里，沒有發(fā)生強(qiáng)烈的空間天氣事件，輻射環(huán)境的變化不大。

離開地球，“嫦娥一號”衛(wèi)星開始向月球邁進(jìn)。此時，衛(wèi)星穿出了地球磁場，已經(jīng)完全運(yùn)行在行星際空間環(huán)境中。在行星際空間中，能給“嫦娥一號”衛(wèi)星帶來影響的主要是太陽質(zhì)子事件和銀河宇宙線。在阿波羅載人登月任務(wù)間隙，1972年8月發(fā)生了有記錄以來的最大太陽質(zhì)子事件之一，如果在此事件期間，阿波羅飛船處在往返月球途中，航天員很可能遭受致命的急性輻射疾病甚至死亡。如果此時宇航員在月球上，受到的輻射劑量相當(dāng)于醫(yī)院X光透視的5萬倍，就會患上嚴(yán)重的放射性疾病。在“嫦娥一號”奔月期間，沒有太陽質(zhì)子事件發(fā)生。

跨越漫漫長路，“嫦娥一號”終于抵達(dá)月球，實(shí)現(xiàn)繞月。由于“嫦娥一號”繞月期間屬于太陽的冬眠期，沒有太陽風(fēng)暴發(fā)生，可以說“嫦娥一號”在風(fēng)和日麗中完成了對月球的各種探測。

太陽風(fēng)暴會襲擊“嫦娥二號”嗎

時隔三年，2010年金秋，“嫦娥二號”衛(wèi)星將再次造訪月宮，與“嫦娥一號”不同，“嫦娥二號”將被直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道，奔向月球。這樣，“嫦娥二號”將快速掠過地球附近的空間環(huán)境，遭遇輻射帶高能粒子的威脅要小很多。

“嫦娥二號”可能遭遇的最大威脅是太陽風(fēng)暴。太陽風(fēng)暴是太陽爆發(fā)性活動的結(jié)果。像一年四季周而復(fù)始變化一樣，太陽的活躍性存在一個約11年的周期，在太陽活動高年，發(fā)生太陽爆發(fā)性活動的頻次高，太陽活動低年，可能不發(fā)生太陽爆發(fā)性活動?！版隙鸲枴卑l(fā)射運(yùn)行的2010年到2011年，處于第24太陽活動周上升期的中、末段，爆發(fā)太陽風(fēng)暴的概率要遠(yuǎn)高于“嫦娥一號”。因此“嫦娥二號”發(fā)射和運(yùn)行期間，極可能遭遇1到2次太陽風(fēng)暴。但由于強(qiáng)太陽風(fēng)暴在2011年的太陽活動周期內(nèi)發(fā)生次數(shù)在1到2次，考慮目前太陽活動水平的發(fā)展趨勢，“嫦娥二號”遭遇強(qiáng)太陽風(fēng)暴的概率并不大。

月球探測空間環(huán)境保障系統(tǒng)

太陽10厘米輻射流量圖

“嫦娥”的護(hù)衛(wèi)

探月之路充滿荊棘，但人類探測月球的步伐不會停止。人類通過認(rèn)識了解月球空間環(huán)境，積極防護(hù)，就能有效規(guī)避惡劣空間環(huán)境的影響。上世紀(jì)60年代末70年代初，美國的載人登月阿波羅（Apollo）任務(wù)不僅是人類深空探測的壯舉，其對惡劣空間環(huán)境的防護(hù)也是非常成功的。

在阿波羅計劃的初期，美國國家航空和航天管理局（NASA）已經(jīng)認(rèn)識到來自太陽的高能粒子危害，所以在實(shí)施過程中采取了大量的輻射防護(hù)措施，盡可能地對高能粒子進(jìn)行屏蔽，使宇航員受到的輻射降低到安全程度。阿波羅任務(wù)期處于太陽第20活動周的峰年和下降年，基本上每年都多次發(fā)生太陽質(zhì)子事件，但NASA對太陽質(zhì)子事件的防護(hù)及其成功，除1972年4月底“阿波羅”16號返回途中遭遇到小的太陽質(zhì)子事件，其余飛行都成功避開了太陽質(zhì)子事件。

阿波羅載人飛行計劃對輻射危害的防護(hù)是成功的。NASA將其經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為三條：一是要正確認(rèn)識飛船所遇到的輻射環(huán)境；二是不斷完善監(jiān)測和防護(hù)手段；三是對大太陽質(zhì)子事件的預(yù)報和任務(wù)時間的選擇。當(dāng)時，美國的空間環(huán)境中心（SEC，現(xiàn)SWPC）負(fù)責(zé)對可能發(fā)生的災(zāi)害性輻射事件進(jìn)行實(shí)時預(yù)報警報。

借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn)，為了保障“嫦娥”出行的安全，“嫦娥”的設(shè)計者在衛(wèi)星研制中，通過器件篩選和采取必要的防護(hù)措施，使衛(wèi)星受空間環(huán)境的影響降到最低；同時中科院空間環(huán)境研究預(yù)報中心專門負(fù)責(zé)為“嫦娥”出行進(jìn)行空間環(huán)境預(yù)報，使衛(wèi)星可以規(guī)避災(zāi)害性的空間環(huán)境事件。在“嫦娥一號”任務(wù)中，預(yù)報中心對“嫦娥一號”衛(wèi)星所要經(jīng)歷的輻射環(huán)境、太陽質(zhì)子事件、銀河宇宙線等及其對衛(wèi)星的影響，做了細(xì)致、準(zhǔn)確、及時的預(yù)報，順利地完成了空間環(huán)境保障任務(wù)。有為“嫦娥一號”保駕護(hù)航的成功基礎(chǔ)，預(yù)報中心針對“嫦娥二號”制定了空間環(huán)境總體保障方案，專門開發(fā)了“月球探測空間環(huán)境保障系統(tǒng)”，目前正按照工程保障流程，穩(wěn)步推進(jìn)各項(xiàng)預(yù)報準(zhǔn)備工作，蓄勢以待“嫦娥二號”的發(fā)射。