“嫦娥姐妹”的探月之旅

季江徽 蔣云

月球，即為我們熟悉的月亮，古時又稱太陰、玄兔、嬋娟、玉盤，是地球唯一的一顆天然衛(wèi)星，直徑大約是地球的1/4，質(zhì)量大約是地球的1/81。自古以來，有關(guān)月球的傳說不勝枚舉，尤其是嫦娥奔月的故事最為人知。古代的文人墨客也留下了大量的關(guān)于月亮的詩篇，如“明月幾時有？把酒問青天”、“峨嵋山月半輪秋，影入平羌江水流”等。關(guān)于月球的起源眾說紛紜，莫衷一是，目前最廣為接受的是“大碰撞”假說，其認為在45億年前，一顆像火星般大小的天體“忒伊亞”，以某個傾斜角撞擊到地球，撞擊的結(jié)果是“忒伊亞”的鐵核沉入了年輕地球的核心，其余物質(zhì)為地球的地幔所俘獲。然而，仍有很大一部分“忒伊亞”與地幔因為碰撞而被拋出，進入環(huán)繞地球的軌道，這些物質(zhì)很快地吸積合并，最終形成了月球。

發(fā)射人造地球衛(wèi)星、載人航天和深空探測是人類航天活動的三大領(lǐng)域。而重返月球、開發(fā)月球資源和建立月球基地已成為世界航天活動的必然趨勢和競爭熱點。開展月球探測工作是我國邁出深空探測第一步的重大舉措。實現(xiàn)月球探測是我國航天深空探測零的突破，月球已成為未來航天大國爭奪戰(zhàn)略資源的焦點。月球具有可供人類開發(fā)和利用的各種獨特資源，月球上特有的礦產(chǎn)和能源，是對地球資源的重要補充和儲備，將對人類社會的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。

“嫦娥姐妹”走出中國探月之路

中國探月工程是我國對月球進行自主探索和勘察的系統(tǒng)工程。國務(wù)院正式批準繞月探測工程立項后，繞月探測工程領(lǐng)導小組將工程命名為“嫦娥工程”，并將第一顆繞月衛(wèi)星命名為“嫦娥一號”。中國探月工程包括“繞”、“落”、“回”三步走戰(zhàn)略，最終計劃在月球建立研究基地。

中國月球探測項目的科學總目標為獲取月球表面三維立體影像，分析月球表面有用元素及物質(zhì)類型的含量和分布，測量月壤厚度和評估氦-3資源量，以及地-月空間環(huán)境探測。

“嫦娥一號”月球探測衛(wèi)星于2007年10月24日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由“長征三號甲”運載火箭發(fā)射升空?！版隙鹨惶枴痹虑蛱綔y衛(wèi)星運行在距月球表面200千米的圓形極軌道上執(zhí)行科學探測任務(wù)，有四大科學目標：一是繪制全月球的三維立體地圖;二是探測月球的物質(zhì)成分;三是探測月壤特性;四是探測地球與月球間的太空環(huán)境。

2010年10月1日18時59分57秒，搭載著“嫦娥二號”月球探測衛(wèi)星的“長征三號丙”運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功點火發(fā)射?！版隙鸲枴痹虑蛱綔y衛(wèi)星上搭載的CCD照相機的分辨率更高，其他探測設(shè)備也有所改進，其主要任務(wù)是獲得更清晰、更詳細的月球表面影像數(shù)據(jù)和月球極區(qū)表面數(shù)據(jù)，為“嫦娥三號”月球探測衛(wèi)星實現(xiàn)月球軟著陸進行部分關(guān)鍵技術(shù)試驗，并對“嫦娥三號”月球探測衛(wèi)星著陸區(qū)進行高精度成像。

2012年12月13日，我國第2顆月球探測器繼圓滿完成探月先導技術(shù)驗證既定任務(wù)和日-地L2點試驗任務(wù)之后，在距地球約700萬千米遠的深空，精確實現(xiàn)了與4179號小行星圖塔蒂斯的近距離飛越探測，成為人類歷史上首次近距離造訪該小行星的探測器，并且第一次獲得了其高分辨率的光學圖像。我國科學家利用“嫦娥二號”月球探測衛(wèi)星所獲取到的探測數(shù)據(jù)并結(jié)合地基雷達資料，通過建立合理的動力學模型，較精確地給出了4179號小行星圖塔蒂斯自轉(zhuǎn)軸在空間的指向，并闡明了其自轉(zhuǎn)軸與角動量軸之間的較大夾角導致該小行星在空間中“翻跟頭”?？茖W家們發(fā)現(xiàn)4179號小行星圖塔蒂斯表面碎石經(jīng)歷了較高程度的碎裂化過程，大部分碎石不是撞擊過程產(chǎn)生的，而是來源于早期4179號小行星圖塔蒂斯的母體形成時的殘留碎片，由此得出其表面的撞擊坑保留年齡約為16億年的推論。他們新發(fā)現(xiàn)了4179號小行星圖塔蒂斯在地球潮汐效應(yīng)影響下的一種低速碰撞形成機制，并且給出了延長型接觸雙小行星形狀形成的一種新解釋。有關(guān)研究結(jié)果對該小行星形成與演化具有重要的科學意義。

“嫦娥四號”成功進行近月制動進入環(huán)月軌道繞月飛行

“嫦娥三號”任務(wù)是我國探月工程“繞、落、回”三步走中的第二步，也是具有承前啟后性作用的關(guān)鍵一步。2013年12月2日1時30分，“嫦娥三號”探測器在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射?！版隙鹑枴碧綔y器攜“玉兔號”月球車首次實現(xiàn)了月球軟著落和月面巡視勘察，并開展了月表形貌與地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查等科學探測，取得了豐碩的科研成果，其中包括完成了首幅月球地質(zhì)剖面圖，完成了首次天體普查，首次證明了月球沒有水，首次獲得了地球等離子體層圖像?；凇版隙鹑枴碧綔y器的探測數(shù)據(jù)，揭示了月表的真實太空風化與月球近紅外熱特征，揭示了月球演化規(guī)律。

“嫦娥四號”探測器是“嫦娥三號”探測器的備份星?！版隙鹚奶枴北辉O(shè)定的著陸點是位于月球背面南極–艾特肯（SPA）盆地內(nèi)的馮卡門撞擊坑。SPA盆地是一個直徑達到2500千米，最深處超過13千米的超級大盆地。這是月球上已知最大、最深、最古老的撞擊盆地。事實上，SPA盆地被認為很可能是整個太陽系內(nèi)最大、最古老的撞擊盆地，這里保存了原始月殼的巖石，具有極高的科研價值。

2012年12月13日，“嫦娥二號”月球探測衛(wèi)星在飛越后對4179號小行星圖塔蒂斯成像的結(jié)果。圖中給出探測器在遠離小行星過程中的成像序列。圖中小行星左側(cè)部分被探測器的太陽帆遮擋。每張圖片的成像距離（D）、成像時間（T，UTC）和分辨率（R）在圖像下方給出，其中成像距離的誤差為1.1千米，圖像的分辨率與成像距離為線性關(guān)系。

馮卡門撞擊坑位于SPA盆地的中部，直徑約186千米，深度約3千米。該撞擊坑是SPA盆地中典型地貌類型，物質(zhì)成分和地質(zhì)年代具有明顯的代表性。撞擊坑內(nèi)的釷、氧化鐵、二氧化鈦等含量均較高，同時物質(zhì)組成的異?？臻g分布可能提供該地區(qū)火山活動及月殼活動線索，有利于開展月殼活動研究，并對研究月幔玄武巖起源有著重要意義。SPA盆地底部有些區(qū)域為永久陰影區(qū)，無法見到陽光，可能具有大量的水冰，為未來人類開發(fā)月球的理想之地。

“嫦娥四號”探測器通過低頻射電頻譜儀、測月雷達、中性原子分析儀等科學載荷，探測和研究月表和月表以下的淺層區(qū)域，有利于揭示著陸區(qū)附近月壤的厚度與月殼淺層結(jié)構(gòu)以及礦物成分等，進而了解月球的演化歷史。2019年5月16日，中國科學院國家天文臺宣布，由該臺研究員李春來領(lǐng)導的研究團隊利用“嫦娥四號”探測器所獲取到的探測數(shù)據(jù)，證明了月球背面南極-艾特肯盆地存在以橄欖石和低鈣輝石為主的深部物質(zhì)。

探月工程“三步走”即將收官

根據(jù)中國探月工程“繞”、“落”、“回”三步走的戰(zhàn)略，探月工程三期主要實現(xiàn)采樣返回，其主要任務(wù)由“嫦娥五號”月球探測器承擔。“嫦娥五號”探測器的科學總目標是對著陸區(qū)進行現(xiàn)場調(diào)查和分析，以及月球樣品返回地球以后的分析與研究。

“嫦娥五號”探測器的第一個科學目標是開展著陸點區(qū)的形貌探測和地質(zhì)背景勘察，獲取與月球樣品相關(guān)的現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)與實驗室分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。這其中主要包括著陸區(qū)的地形地貌探測、采樣點周圍形貌與結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征和撞擊坑的形貌、大小等。同時，還將進行采樣點的物質(zhì)成分特征、月壤物理特性與結(jié)構(gòu)和月殼淺層的溫度梯度探測等物質(zhì)成分的探測。

“嫦娥五號”探測器的第二個科學目標是對返回地面的月球樣品進行系統(tǒng)、長期的實驗室研究，分析月壤與月巖的物理特性與結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物與化學組成、微量元素與同位素組成、月球巖石形成與演化過程的同位素年齡測定、宇宙輻射與太陽風離子及月球的相互作用、太空風化過程與環(huán)境演化過程等，深化月球成因和演化歷史的研究。2019年1月14日，國家航天局副局長、探月工程副總指揮吳艷華表示，2019年底前后將發(fā)射“嫦娥五號”探測器。

星空浩瀚無比，太空探索永無止境。我國的探月工程是為人類和平利用月球邁出的新的一步，也是人類開拓外太空新疆域旅程中一座重要的里程碑。隨著我國深空探測后續(xù)任務(wù)的不斷深入開展， 圍繞太陽系起源與演化、小行星安全防御及地外宜居環(huán)境與生命信息探尋等重大科學問題也將開展研究，有望取得具有國際影響力的成果。

鏈接：“嫦娥奔月”歷程

“嫦娥一號”：拉開了中國人探索月球的序幕

2007年10月發(fā)射的“嫦娥一號”是中國探月工程的首秀，它是一顆月球軌道探測衛(wèi)星，負責搜集月球表面的各類信息，例如多波段照片、X射線譜和地形等，這些重要信息可以幫助我們更好地了解月球。

“嫦娥二號”：小行星探測的先行者

“嫦娥二號”是中國探月工程二期的技術(shù)先導星，于2010年10月發(fā)射升空。作為“嫦娥一號”的備份星，它的主要任務(wù)是為下一代著陸探測器尋找合適的著陸點，并拍攝高分辨率的月表地圖。此外，它精確實現(xiàn)了與4179號小行星圖塔蒂斯的近距離飛越探測，成為人類歷史上首次近距離造訪該小行星的探測器。

“嫦娥三號”：成功實現(xiàn)落月夢想

2013年12月發(fā)射的“嫦娥三號”創(chuàng)造了歷史，它實現(xiàn)了近40年來的首次月球軟著陸。在成功著陸月球后，“嫦娥三號”搭載的“玉兔號”月球車開始巡視月球表面。

“嫦娥四號”：到月球的背面去

2019年年初，作為“嫦娥五號”先遣任務(wù)的“嫦娥四號”成功抵達月球背面。它是世界上首個在月球背面實現(xiàn)軟著陸的探測器，創(chuàng)造了中國航天的歷史。這還要得益于“鵲橋號”中繼衛(wèi)星的成功入軌，正是在它的幫助下，地面控制中心才可與“嫦娥四號”通信。