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中國深空探測之夢:去月球、上火星、追尋太陽風的邊界

2019年1月3日,嫦娥四號探測器著陸於月球背面南極-標記肯盆地中的馮·卡門撞擊坑。隨後,玉兔二號月球車與嫦娥四號著陸器分離,月球車開展巡視探測,著陸器開展就位探測。在此之前,人類已經借助繞月衛星遠距離觀測過月球背面,但作為人類歷史上第一次著陸於月球背面的探測器,嫦娥四號終於可以零距離地接觸月背,在這片人類目光難以觸達的外星土地上留下屬於人類的足跡。

從2004年中國探月工程,即 “嫦娥工程” 正式啟動開始,十五年間,中國已經完成了“繞-落-回”三部曲中的繞和落,並首次登陸月球背面。在不久的將來,嫦娥五號將飛向月球並取樣返回,完成嫦娥工程“繞-落-回”三步走的全部戰略目標。

後續,中國還計劃在月球南極建立月球科研站,進一步探測確認月球兩極的月坑中是否存在水冰。與此同時,中國的深空探測也將開展,計劃在不久的將來發射第一個火星探測器。

更為雄心勃勃的是,中國還希望探索日球層的邊界,也就是太陽風能夠到達的邊界。“那裡距離太陽系中心大約100個天文部門,人類飛行器大概要20到30年的時間才能飛到那裡。我們希望有這樣的機會。”中國探月工程總設計師吳偉仁介紹說。

去遠方,看宇宙!中國的深空探測正在路上。

2019年4月底,《國家科學評論》(National Science Review, NSR)採訪了嫦娥工程的幾位關鍵性人物,包括中國探月工程總設計師吳偉仁、中國探月工程首任首席科學家、領導小組高級顧問歐陽自遠,以及中國探月工程三期副總設計師、嫦娥四號地面應用系統總指揮李春來,聽他們解讀中國月球與深空探測計劃的科學意義與未來規劃。

撰文 | 趙維傑 王 赤

責編 | 夏志堅

為何要去月球背面?

NSR:嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車目前的狀態如何?

吳偉仁:狀態很好。嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車的設計壽命分別是6個月球晝夜和3個月球晝夜,現在它們馬上要開始第5個月晝的工作。也就是說,玉兔二號已經超期服役,而著陸器也即將到達設計壽命。現在玉兔二號已經在月球背面行走了180米左右,它和著陸器正在探測月球背面的地形地貌、地質結構、物質成分以及空間環境,相關的探測儀器都運行正常。(注:一個月球晝夜約為28天,其中月晝、月夜各14天;截至2019年11月5日,嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車已進入著陸後的第12個月晝,二者均已超期服役。第11個月晝結束後,玉兔二號已經行走超過300米。)

NSR:為到達月球背面,嫦娥四號做了哪些技術改進?

吳偉仁:主要的變化有兩點。第一是需要發射一顆中繼星,來解決地球和月球背面之間的測控通信問題。中繼星“鵲橋”號在2018年5月發射升空,到達地-月拉格朗日L2點附近,它可以轉發地球和月球背面之間的通信信號。

第二是嫦娥四號採用了新的著陸方式。月球正面有很大的平原,著陸相對簡單,嫦娥三號可以以一定的傾角滑落下去。但是月球背面的地形更加複雜,有很多高山和月坑,起伏很大。為了避免在降落過程中撞到山體,嫦娥四號基本上是垂直降落的。事實上,由於山多坑多,我們花了很長時間才找到適合嫦娥四號著陸的地點,它的預選著陸區域很小,只有嫦娥三號的八分之一。

NSR:我們為什麽要去月球背面?嫦娥四號的主要科學目標是什麽?

歐陽自遠:嫦娥四號的主要科學目標有3個,都是只有到月球背面才能做的。 第一是收集來自太陽、太陽系、銀河系以及宇宙的長波信號。在地球和月球正面,由地球電離層干擾產生的高額噪聲使我們無法接收波長在一米以上的長波信號。但是由於月球本身的遮擋,月球背面可以不受來自地球電離層的干擾,容易接收到波長10米、100米甚至10公里的低頻長波信號。收集到這些長波信號,我們就可以從一個新的波段來了解太陽和宇宙中的其他天體。在嫦娥四號著陸器上,我們搭載了一台低頻射電頻譜儀,用來收集這部分信號。

第二是探索月球早期的地質歷史。月球現在已經沒有內部岩漿活動,是一顆 “僵死” 的星球。但是在30到45億年前,它也曾經是非常活躍的,有大量的岩漿噴發、火山活動和構造運動,形成新的岩石。在月球正面,人類已經探測了很多30到40億年前的岩石樣品,了解了這段時期的月球歷史,但是在40億年以前形成的岩石埋藏在更深的地方,或者被後期的火山熔岩流所覆蓋,因而難以探測。在大約40億年前,有一顆巨大的小天體撞擊在了月球背面,它的衝擊波在月球背面撞出了一個直徑2480公里的巨大的盆地,也就是這次嫦娥四號著陸的南極-標記肯盆地。這次撞擊剝開了標記肯盆地內部的岩石,許多比40億年更古老的岩石都暴露了出來。所以我們去標記肯盆地,就能夠探測到更古老的岩石,了解更早的月球地質演化歷史。我們在玉兔二號月球車上安裝了測月雷達和紅外成像光譜儀,來探測月球背面標記肯盆地內部的地下淺層結構,以及剝露出來的古老的早於41億年前的岩石礦物成分,甚至發現月球深部月幔的岩石。

第三,我們還希望探測月球背面的空間環境,看它和月球正面是否有差異。我們推測背面和正面的差異不會很大,但還是需要實地測量才能確認。用於這方面探測的儀器包括搭載於嫦娥四號著陸器,與德國合作研製的月表中子與異塵餘生劑量探測儀,以及搭載於玉兔二號月球車,和瑞典合作研製的中性原子探測儀等。李春來:嫦娥四號的第一批數據已經返回,我們已經開始分析數據並準備發表學術論文。

NSR:嫦娥四號取得的科學數據是否會向國際科學界公開?

李春來:根據國際慣例,取得數據半年後,數據會向中國科學家開放,所有相關領域的中國科學家都可以申請獲得數據。而在一年之後,數據將對國際科學界開放。此外,對於國際載荷,我們會在第一時間與合作方共享數據。

月球和深空探測工程是國家意志

NSR:中國還會繼續探測月球背面嗎?

吳偉仁:短期內沒有相關計劃。所以這次嫦娥四號的任務很重,它是人類第一次登陸月球背面,也將是短期內唯一的一次。因此,采集探測到的數據也就更加珍貴。但從長遠看,還是有可能繼續下去的。

NSR:中國未來的月球和深空探測計劃是怎樣的?

吳偉仁:空間科學技術發展至今,從經濟成本、風險等方面考慮,無人探測是重點。我們計劃在不久的將來發射嫦娥五號探測器,登陸月球正面並采樣返回。後續,我們還計劃在月球南極建立月球科研站。之所以選擇南極,主要有兩個考慮。一是和地球類似,在一年中,月球的南極可以有一半、甚至90%的時間有連續光照,更加適合探測儀器的連續長期工作。二是已有的探測顯示,在月球兩極終年不見陽光的月坑中,可能存在水冰,這是我們希望進一步探測和確認的。

我們也將進一步開展深空探測,將會在不久的將來發射第一個火星探測器。科學家們也正在論證木星探測、小行星探測。此外,我們還希望探索日球層的邊界,也就是太陽風能夠到達的邊界。那裡距離太陽系中心大約100個天文部門 [1天文部門=149 597 870 700米≈日地距離],人類飛行器大概要20到30年的時間才能飛到那裡。我們希望有這樣的機會。

NSR:中國探月工程的耗資情況如何?我國政府是否會持續支持月球和深空探測計劃?

吳偉仁:月球和深空探測工程是國家意志,也是人類尋找地外生存空間的必由之路,所以政府一定會持續支持。如果我們將嫦娥工程的總投入平均到工程實施的這十幾年中,年均投入額隻佔我國年GDP的萬分之零點三。和美國阿波羅計劃等項目相比,這樣的費用水準並不高。

數萬人參與,大工程組織與協作的藝術

NSR:探月工程需要多部門合作,它的人員規模和組織形式是怎樣的?

吳偉仁:直接或間接參加中國探月工程的有數萬人,上千家部門,包括航天科技集團、航天科工集團、電子科技集團等工業部門,中科院的各個研究所,很多高校,以及分布在各省市自治區的配套部門。各部門之間的協調合作對於探月工程的順利實施至關重要。

歐陽自遠:從嫦娥一號到嫦娥四號,這些探測任務的成功已經證明我們的組織機制是有效的,不會發生大的錯誤。

李春來:在不考慮載人的情況下,探月工程主要包含五個系統:探測器系統、運載火箭系統、發射場系統、測控系統和地面應用系統。

我所負責的地面應用系統可以理解為整個工程中的科學部分,所以我們又把這個系統叫做 GRAS,ground research and application system,地面科學研究與應用系統。具體來講,在工程總體設計階段,我們負責確認科學目標,再根據軌道器、著陸器、月球車、返回器的儀器特點和它們所處的空間環境,來決定在哪裡安裝哪些科學儀器,或者說有效載荷,來實現我們的科學目標。在探測器上天之後,我們需要根據實際情況,對儀器下達指令,控制它們的具體工作狀態以獲取科學數據。我們還負責數據的接收、數據處理和科學目標的研究,並負責數據的授權發布。也就是說,地面應用系統負責從科學目標確立到科學成果分析研究的整個科學鏈條。

NSR:嫦娥四號任務搭載了數個國際載荷。在未來的月球和深空探測中,我們將以怎樣的方式開展國際合作?

李春來:美國有明確的法律條款,規定中美之間不能在航天領域開展合作。但是我們可以和歐洲或其他地區的國家開展合作。現在,我們的嫦娥六號任務和小行星探測任務都已經公開向國際科學界征集載荷。我們會提出一個載荷列表,如果對方對其中的載荷和科學項目感興趣,就可以申請研製某個載荷。如果他們還有新的想法,也可以提出申請,我們經過論證和討論,如果認為合理也會考慮增加新的載荷。在我們未來所有的探測計劃中,都會積極進行國際合作。

NSR:SpaceX 發展迅猛,中國也有眾多新成立的民營航天公司,這些公司的未來發展趨勢如何?它們是否會參與我國的月球和深空探測工程?

吳偉仁:我們歡迎民營公司參與月球和深空探測,為工程做必要的補充。

目前,中國有若乾家民營火箭公司,衛星公司更多。和SpaceX等國外民營航天公司一樣,這些公司的創建者和技術人員,很多都是在國家航天系統中工作過的人。目前的形勢有些一哄而上的混亂,我認為經過一定時間的調整和競爭,會有一部分公司從中脫穎而出,獲得更好的發展。目前,國家已經開始制定相關規範,來引導這些民營航天公司的規範運作和有序競爭。我相信它們未來會發展得很好。

探月工程,我們已經收獲了什麽?

NSR:探月工程是否有經濟意義?比如說,我們是否能開採月球上的資源?

歐陽自遠:月球上確實有不少資源。比如,嫦娥一號和二號的探測結果顯示,月球上有非常廣闊的含有金屬鈦的礦區,以及稀土、鈾、釷、鉀、磷等礦產資源。此外,月球土壤中還富含可以用於核聚變的氦-3,如果能夠加以利用,這些氦-3可以提供全人類1萬年的能源需求。但是以目前的技術水準,我們還沒有辦法在月球上建設分離氦-3的設施,更不可能將這些礦產資源運回地球再行分離。所以,這些月球上的資源目前還沒有開採價值,無法帶來實際的經濟利益。

吳偉仁:從另一個角度看,探月工程帶來的技術進步是可以促進我國工業發展,並帶來經濟利益的。舉例來講,在探月工程中我們成功研製了連續可變推力液體發動機。這一技術目前只有美國、俄羅斯和中國掌握。嫦娥四號著陸器的四條腿上還應用了最新的緩衝拉杆,這種材料可以根據受力大小進行大比例的伸展,保證嫦娥四號平穩著陸,這項技術也有很廣闊的應用前景。此外,我們還建設了包含目前國內最大口徑天線的深空測控網,這為更遠深空探測奠定了基礎。

NSR:中國探月工程的國產化程度如何?我們和美國、俄羅斯等航天強國還有哪些差距?

吳偉仁:嫦娥四號的元器件、原材料國產化水準在96%左右,向國外採購的部分也都不是關鍵性部件,我們的國產化、自主性水準是很高的。

美國和俄羅斯的航天工業基礎雄厚、規模龐大、技術先進。我們起步較晚,但是發展速度很快,目前已經建立了完整的航天工業體系,也擁有了完整的航天工業產品線。人類的航天事業開始於大約100年前,中國的航天工程60年前才開始,在這麽短的時間內,人類已經取得了如此巨大的成果,所以我相信我們將來一定會到達更加遙遠的宇宙空間,取得我們今天難以想象的成果。

李春來:在地面應用系統中,我們使用的接收天線等硬體設施都是自主研製的。但在後續的科學研究中,我們會使用一些國外生產的分析儀器和設備。

結緣航天,探索未知

NSR:歐陽老師和李老師都是地質學專業出身,之後進入航天領域,這是巧合嗎?

歐陽自遠:行星科學其實可以看作是地球科學的延伸,是用研究地球的思路、理論和方法去研究其他行星。所以也有一門學科叫做比較行星學,就是以地球作為基準,以比較的方法來研究其他的行星與衛星。事實上,不只在中國,歐洲、俄羅斯和美國等國家的許多行星科學研究者也都是地質學專業出身的。

李春來:從這個角度看,行星科學和天文學還是有些區別的。現在的天文學家常常把星體作為一個點來研究,通過光譜等來研究它的整體性質。但是行星科學家希望研究一個星球表面和內部(面和體),了解它的形貌、成分、內部結構和演化歷史。事實上,現在的天文學也在向面和體發展,這是未來的趨勢。

NSR:你們是如何加入中國探月工程的?在探月工程中,有什麽讓你印象深刻的事情?

吳偉仁:我大學畢業就從事航天工作,一直沒有變化過職業。我深深地熱愛這份工作,探索太空、探索未知是人類的天性使然。在多年工作中,我深深體會到並感動於很多航天人為事業奮鬥、協作配合、勇於奉獻、不計個人得失的精神。正是這種精神,才使中國航天、中國探月工程不斷取得輝煌。

歐陽自遠:1957年蘇聯發射第一顆人造地球衛星,拉開了人類空間時代的帷幕,1958年蘇聯和美國開始探測月球。那時我們年輕的共和國剛剛建立不久,百廢待興,一窮二白。我當時正在中國科學院地質研究所攻讀副博士研究生,並且開始意識到中國的空間時代一定會到來,而我們要為之早做準備。

1958年開始,我率先在國內系統性開展隕石、宇宙塵埃等地外物質,以及小天體撞擊地球誘發效應的相關研究。我負責了對1976年吉林隕石雨的研究工作,這是世界最大規模的隕石雨。1978年美國卡特總統向中國贈送了阿波羅月球樣品,我有幸主持了對該樣品的研究工作。與此同時,我們全面調研了美、蘇兩國的空間探測計劃,並初步構思了中國月球探測計劃。

1993開始,我積極參與了為期10年的中國月球探測系統論證。1995年我負責完成了《中國開展月球探測的必要性與可行性》研究,評委一致結論 “非常有必要,完全能實行”。此後,我們又依次完成了中國月球探測工程的總體規劃和分階段規劃。2003年以孫家棟院士為組長、我為副組長的論證組完成了《中國開展首次月球探測的綜合立項報告》及6份《附件》,上報國務院,並獲得立項,啟動實施。2004年,我被任命為中國繞月探測工程科學應用首席科學家。

2004年中國宣布將開展月球探測時,公眾提出了很多問題,比如 “我們在地球上的事情都做不完,為什麽還要去探測月球?” “要花多少錢?” 等等。我深感有責任和義務去講清楚這些問題。於是我開始對不同層次的領導幹部、公務員、社會公眾、大中小學生做有關月球和行星探測的科普講座。2008年到2018年11年間,我一共做了617場科普講座,現場聽眾總人數35萬3千多人。有網絡直播的講座中,每一場的網絡聽眾達到20萬到80萬人。此外,我還發表了月球探測相關的報導和科普文章300多篇,出版科普圖書12冊。李春來:我大學畢業後從事了三年金銀礦的礦床和礦物學研究工作,上研究生後師從歐陽自遠院士開始從事隕石學、天體撞擊事件的研究,月球科學的研究就是其中的一部分。我跟隨歐陽自遠院士開展了月球探測科學目標的研究,並接受了地面應用系統的研製和建設工作。在探月工程中,感受最深的是,航天工程是一個系統工程,必須要大家(各個人、各系統)通力配合、大力協同、步調一致才能完成。

致謝:中國科學院神經科學研究所所長、NSR執行主編蒲慕明參與了此次訪談,在此感謝!

作者簡介:趙維傑為NSR新聞編輯,王赤為國家空間科學中心主任,NSR編委

版權聲明本文英文原文於2019年8月16日在線發表於《國家科學評論》(National Science Review,NSR ),原標題為“China’s lunar and deep space exploration: touching the moon, exploring the universe ”。NSR是科學出版社旗下期刊,與牛津大學出版社聯合出版。《知識分子》獲NSR授權刊發該文中文版。

製版編輯 | 皮皮魚

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