财新传媒
位置:博客 > 知识分子 > 中国深空探测之梦:去月球、上火星、追寻太阳风的边界

中国深空探测之梦:去月球、上火星、追寻太阳风的边界

 

2019年1月3日,嫦娥四号探测器着陆于月球背面南极-艾特肯盆地中的冯·卡门撞击坑。随后,玉兔二号月球车与嫦娥四号着陆器分离,月球车开展巡视探测,着陆器开展就位探测。在此之前,人类已经借助绕月卫星远距离观测过月球背面,但作为人类历史上第一次着陆于月球背面的探测器,嫦娥四号终于可以零距离地接触月背,在这片人类目光难以触达的外星土地上留下属于人类的足迹。
 
从2004年中国探月工程,即 “嫦娥工程” 正式启动开始,十五年间,中国已经完成了“绕-落-回”三部曲中的绕和落,并首次登陆月球背面。在不久的将来,嫦娥五号将飞向月球并取样返回,完成嫦娥工程“绕-落-回”三步走的全部战略目标。
 
后续,中国还计划在月球南极建立月球科研站,进一步探测确认月球两极的月坑中是否存在水冰。与此同时,中国的深空探测也将开展,计划在不久的将来发射第一个火星探测器。
 
更为雄心勃勃的是,中国还希望探索日球层的边界,也就是太阳风能够到达的边界。“那里距离太阳系中心大约100个天文单位,人类飞行器大概要20到30年的时间才能飞到那里。我们希望有这样的机会。”中国探月工程总设计师吴伟仁介绍说。
 
去远方,看宇宙!中国的深空探测正在路上。
 
2019年4月底,《国家科学评论》(National Science Review, NSR)采访了嫦娥工程的几位关键性人物,包括中国探月工程总设计师吴伟仁、中国探月工程首任首席科学家、领导小组高级顾问欧阳自远,以及中国探月工程三期副总设计师、嫦娥四号地面应用系统总指挥李春来,听他们解读中国月球与深空探测计划的科学意义与未来规划。
 
撰文 | 赵维杰 王 赤
责编 | 夏志坚
 
为何要去月球背面?
 
NSR:嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车目前的状态如何?
 
吴伟仁:状态很好。嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车的设计寿命分别是6个月球昼夜和3个月球昼夜,现在它们马上要开始第5个月昼的工作。也就是说,玉兔二号已经超期服役,而着陆器也即将到达设计寿命。现在玉兔二号已经在月球背面行走了180米左右,它和着陆器正在探测月球背面的地形地貌、地质结构、物质成分以及空间环境,相关的探测仪器都运行正常。(注:一个月球昼夜约为28天,其中月昼、月夜各14天;截至2019年11月5日,嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车已进入着陆后的第12个月昼,二者均已超期服役。第11个月昼结束后,玉兔二号已经行走超过300米。)
 
 
NSR:为到达月球背面,嫦娥四号做了哪些技术改进?
 
吴伟仁:主要的变化有两点。第一是需要发射一颗中继星,来解决地球和月球背面之间的测控通信问题。中继星“鹊桥”号在2018年5月发射升空,到达地-月拉格朗日L2点附近,它可以转发地球和月球背面之间的通信信号。
 
第二是嫦娥四号采用了新的着陆方式。月球正面有很大的平原,着陆相对简单,嫦娥三号可以以一定的倾角滑落下去。但是月球背面的地形更加复杂,有很多高山和月坑,起伏很大。为了避免在降落过程中撞到山体,嫦娥四号基本上是垂直降落的。事实上,由于山多坑多,我们花了很长时间才找到适合嫦娥四号着陆的地点,它的预选着陆区域很小,只有嫦娥三号的八分之一。
 
 
NSR:我们为什么要去月球背面?嫦娥四号的主要科学目标是什么?
 
欧阳自远:嫦娥四号的主要科学目标有3个,都是只有到月球背面才能做的。
 
第一是收集来自太阳、太阳系、银河系以及宇宙的长波信号。在地球和月球正面,由地球电离层干扰产生的高额噪声使我们无法接收波长在一米以上的长波信号。但是由于月球本身的遮挡,月球背面可以不受来自地球电离层的干扰,容易接收到波长10米、100米甚至10公里的低频长波信号。收集到这些长波信号,我们就可以从一个新的波段来了解太阳和宇宙中的其他天体。在嫦娥四号着陆器上,我们搭载了一台低频射电频谱仪,用来收集这部分信号。
 
第二是探索月球早期的地质历史。月球现在已经没有内部岩浆活动,是一颗 “僵死” 的星球。但是在30到45亿年前,它也曾经是非常活跃的,有大量的岩浆喷发、火山活动和构造运动,形成新的岩石。在月球正面,人类已经探测了很多30到40亿年前的岩石样品,了解了这段时期的月球历史,但是在40亿年以前形成的岩石埋藏在更深的地方,或者被后期的火山熔岩流所覆盖,因而难以探测。在大约40亿年前,有一颗巨大的小天体撞击在了月球背面,它的冲击波在月球背面撞出了一个直径2480公里的巨大的盆地,也就是这次嫦娥四号着陆的南极-艾特肯盆地。这次撞击剥开了艾特肯盆地内部的岩石,许多比40亿年更古老的岩石都暴露了出来。所以我们去艾特肯盆地,就能够探测到更古老的岩石,了解更早的月球地质演化历史。我们在玉兔二号月球车上安装了测月雷达和红外成像光谱仪,来探测月球背面艾特肯盆地内部的地下浅层结构,以及剥露出来的古老的早于41亿年前的岩石矿物成分,甚至发现月球深部月幔的岩石。
 
第三,我们还希望探测月球背面的空间环境,看它和月球正面是否有差异。我们推测背面和正面的差异不会很大,但还是需要实地测量才能确认。用于这方面探测的仪器包括搭载于嫦娥四号着陆器,与德国合作研制的月表中子与辐射剂量探测仪,以及搭载于玉兔二号月球车,和瑞典合作研制的中性原子探测仪等。
 
李春来:嫦娥四号的第一批数据已经返回,我们已经开始分析数据并准备发表学术论文。
 
NSR:嫦娥四号取得的科学数据是否会向国际科学界公开?
 
李春来:根据国际惯例,取得数据半年后,数据会向中国科学家开放,所有相关领域的中国科学家都可以申请获得数据。而在一年之后,数据将对国际科学界开放。此外,对于国际载荷,我们会在第一时间与合作方共享数据。
 
月球和深空探测工程是国家意志
 
NSR:中国还会继续探测月球背面吗?
 
吴伟仁:短期内没有相关计划。所以这次嫦娥四号的任务很重,它是人类第一次登陆月球背面,也将是短期内唯一的一次。因此,采集探测到的数据也就更加珍贵。但从长远看,还是有可能继续下去的。
 
NSR:中国未来的月球和深空探测计划是怎样的?
 
吴伟仁:空间科学技术发展至今,从经济成本、风险等方面考虑,无人探测是重点。我们计划在不久的将来发射嫦娥五号探测器,登陆月球正面并采样返回。后续,我们还计划在月球南极建立月球科研站。之所以选择南极,主要有两个考虑。一是和地球类似,在一年中,月球的南极可以有一半、甚至90%的时间有连续光照,更加适合探测仪器的连续长期工作。二是已有的探测显示,在月球两极终年不见阳光的月坑中,可能存在水冰,这是我们希望进一步探测和确认的。
 
我们也将进一步开展深空探测,将会在不久的将来发射第一个火星探测器。科学家们也正在论证木星探测、小行星探测。此外,我们还希望探索日球层的边界,也就是太阳风能够到达的边界。那里距离太阳系中心大约100个天文单位 [1天文单位=149 597 870 700米≈日地距离],人类飞行器大概要20到30年的时间才能飞到那里。我们希望有这样的机会。
 
NSR:中国探月工程的耗资情况如何?我国政府是否会持续支持月球和深空探测计划?
 
吴伟仁:月球和深空探测工程是国家意志,也是人类寻找地外生存空间的必由之路,所以政府一定会持续支持。如果我们将嫦娥工程的总投入平均到工程实施的这十几年中,年均投入额只占我国年GDP的万分之零点三。和美国阿波罗计划等项目相比,这样的费用水平并不高。
 
数万人参与,大工程组织与协作的艺术
 
NSR:探月工程需要多部门合作,它的人员规模和组织形式是怎样的?
 
吴伟仁:直接或间接参加中国探月工程的有数万人,上千家单位,包括航天科技集团、航天科工集团、电子科技集团等工业部门,中科院的各个研究所,很多高校,以及分布在各省市自治区的配套单位。各部门之间的协调合作对于探月工程的顺利实施至关重要。
 
欧阳自远:从嫦娥一号到嫦娥四号,这些探测任务的成功已经证明我们的组织机制是有效的,不会发生大的错误。
 
 
李春来:在不考虑载人的情况下,探月工程主要包含五个系统:探测器系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统和地面应用系统。
 
我所负责的地面应用系统可以理解为整个工程中的科学部分,所以我们又把这个系统叫做 GRAS,ground research and application system,地面科学研究与应用系统。具体来讲,在工程总体设计阶段,我们负责确认科学目标,再根据轨道器、着陆器、月球车、返回器的仪器特点和它们所处的空间环境,来决定在哪里安装哪些科学仪器,或者说有效载荷,来实现我们的科学目标。在探测器上天之后,我们需要根据实际情况,对仪器下达指令,控制它们的具体工作状态以获取科学数据。我们还负责数据的接收、数据处理和科学目标的研究,并负责数据的授权发布。也就是说,地面应用系统负责从科学目标确立到科学成果分析研究的整个科学链条。
 
NSR:嫦娥四号任务搭载了数个国际载荷。在未来的月球和深空探测中,我们将以怎样的方式开展国际合作?
 
李春来:美国有明确的法律条款,规定中美之间不能在航天领域开展合作。但是我们可以和欧洲或其他地区的国家开展合作。现在,我们的嫦娥六号任务和小行星探测任务都已经公开向国际科学界征集载荷。我们会提出一个载荷列表,如果对方对其中的载荷和科学项目感兴趣,就可以申请研制某个载荷。如果他们还有新的想法,也可以提出申请,我们经过论证和讨论,如果认为合理也会考虑增加新的载荷。在我们未来所有的探测计划中,都会积极进行国际合作。
 
NSR:SpaceX 发展迅猛,中国也有众多新成立的民营航天公司,这些公司的未来发展趋势如何?它们是否会参与我国的月球和深空探测工程?
 
吴伟仁:我们欢迎民营公司参与月球和深空探测,为工程做必要的补充。
 
目前,中国有若干家民营火箭公司,卫星公司更多。和SpaceX等国外民营航天公司一样,这些公司的创建者和技术人员,很多都是在国家航天系统中工作过的人。目前的形势有些一哄而上的混乱,我认为经过一定时间的调整和竞争,会有一部分公司从中脱颖而出,获得更好的发展。目前,国家已经开始制定相关规范,来引导这些民营航天公司的规范运作和有序竞争。我相信它们未来会发展得很好。
 
探月工程,我们已经收获了什么?
 
NSR:探月工程是否有经济意义?比如说,我们是否能开采月球上的资源?
 
欧阳自远:月球上确实有不少资源。比如,嫦娥一号和二号的探测结果显示,月球上有非常广阔的含有金属钛的矿区,以及稀土、铀、钍、钾、磷等矿产资源。此外,月球土壤中还富含可以用于核聚变的氦-3,如果能够加以利用,这些氦-3可以提供全人类1万年的能源需求。但是以目前的技术水平,我们还没有办法在月球上建设分离氦-3的设施,更不可能将这些矿产资源运回地球再行分离。所以,这些月球上的资源目前还没有开采价值,无法带来实际的经济利益。
 
吴伟仁:从另一个角度看,探月工程带来的技术进步是可以促进我国工业发展,并带来经济利益的。举例来讲,在探月工程中我们成功研制了连续可变推力液体发动机。这一技术目前只有美国、俄罗斯和中国掌握。嫦娥四号着陆器的四条腿上还应用了最新的缓冲拉杆,这种材料可以根据受力大小进行大比例的伸展,保证嫦娥四号平稳着陆,这项技术也有很广阔的应用前景。此外,我们还建设了包含目前国内最大口径天线的深空测控网,这为更远深空探测奠定了基础。
 
NSR:中国探月工程的国产化程度如何?我们和美国、俄罗斯等航天强国还有哪些差距?
 
吴伟仁:嫦娥四号的元器件、原材料国产化水平在96%左右,向国外采购的部分也都不是关键性部件,我们的国产化、自主性水平是很高的。
 
美国和俄罗斯的航天工业基础雄厚、规模庞大、技术先进。我们起步较晚,但是发展速度很快,目前已经建立了完整的航天工业体系,也拥有了完整的航天工业产品线。人类的航天事业开始于大约100年前,中国的航天工程60年前才开始,在这么短的时间内,人类已经取得了如此巨大的成果,所以我相信我们将来一定会到达更加遥远的宇宙空间,取得我们今天难以想象的成果。
 
李春来:在地面应用系统中,我们使用的接收天线等硬件设施都是自主研制的。但在后续的科学研究中,我们会使用一些国外生产的分析仪器和设备。
 
结缘航天,探索未知
 
NSR:欧阳老师和李老师都是地质学专业出身,之后进入航天领域,这是巧合吗?
 
欧阳自远:行星科学其实可以看作是地球科学的延伸,是用研究地球的思路、理论和方法去研究其他行星。所以也有一门学科叫做比较行星学,就是以地球作为基准,以比较的方法来研究其他的行星与卫星。事实上,不只在中国,欧洲、俄罗斯和美国等国家的许多行星科学研究者也都是地质学专业出身的。
 
李春来:从这个角度看,行星科学和天文学还是有些区别的。现在的天文学家常常把星体作为一个点来研究,通过光谱等来研究它的整体性质。但是行星科学家希望研究一个星球表面和内部(面和体),了解它的形貌、成分、内部结构和演化历史。事实上,现在的天文学也在向面和体发展,这是未来的趋势。
 
NSR:你们是如何加入中国探月工程的?在探月工程中,有什么让你印象深刻的事情?
 
吴伟仁:我大学毕业就从事航天工作,一直没有变化过职业。我深深地热爱这份工作,探索太空、探索未知是人类的天性使然。在多年工作中,我深深体会到并感动于很多航天人为事业奋斗、协作配合、勇于奉献、不计个人得失的精神。正是这种精神,才使中国航天、中国探月工程不断取得辉煌。
 
欧阳自远:1957年苏联发射第一颗人造地球卫星,拉开了人类空间时代的帷幕,1958年苏联和美国开始探测月球。那时我们年轻的共和国刚刚建立不久,百废待兴,一穷二白。我当时正在中国科学院地质研究所攻读副博士研究生,并且开始意识到中国的空间时代一定会到来,而我们要为之早做准备。
 
1958年开始,我率先在国内系统性开展陨石、宇宙尘埃等地外物质,以及小天体撞击地球诱发效应的相关研究。我负责了对1976年吉林陨石雨的研究工作,这是世界最大规模的陨石雨。1978年美国卡特总统向中国赠送了阿波罗月球样品,我有幸主持了对该样品的研究工作。与此同时,我们全面调研了美、苏两国的空间探测计划,并初步构思了中国月球探测计划。
 
1993开始,我积极参与了为期10年的中国月球探测系统论证。1995年我负责完成了《中国开展月球探测的必要性与可行性》研究,评委一致结论 “非常有必要,完全能实行”。此后,我们又依次完成了中国月球探测工程的总体规划和分阶段规划。2003年以孙家栋院士为组长、我为副组长的论证组完成了《中国开展首次月球探测的综合立项报告》及6份《附件》,上报国务院,并获得立项,启动实施。2004年,我被任命为中国绕月探测工程科学应用首席科学家。
 
2004年中国宣布将开展月球探测时,公众提出了很多问题,比如 “我们在地球上的事情都做不完,为什么还要去探测月球?” “要花多少钱?” 等等。我深感有责任和义务去讲清楚这些问题。于是我开始对不同层次的领导干部、公务员、社会公众、大中小学生做有关月球和行星探测的科普讲座。2008年到2018年11年间,我一共做了617场科普讲座,现场听众总人数35万3千多人。有网络直播的讲座中,每一场的网络听众达到20万到80万人。此外,我还发表了月球探测相关的报道和科普文章300多篇,出版科普图书12册。
 
李春来:我大学毕业后从事了三年金银矿的矿床和矿物学研究工作,上研究生后师从欧阳自远院士开始从事陨石学、天体撞击事件的研究,月球科学的研究就是其中的一部分。我跟随欧阳自远院士开展了月球探测科学目标的研究,并接受了地面应用系统的研制和建设工作。在探月工程中,感受最深的是,航天工程是一个系统工程,必须要大家(各个人、各系统)通力配合、大力协同、步调一致才能完成。
 
致谢:中国科学院神经科学研究所所长、NSR执行主编蒲慕明参与了此次访谈,在此感谢!
 
作者简介:
赵维杰为NSR新闻编辑,王赤为国家空间科学中心主任,NSR编委
 
版权声明
本文英文原文于2019年8月16日在线发表于《国家科学评论》(National Science Review,NSR ),原标题为“China’s lunar and deep space exploration: touching the moon, exploring the universe ”。NSR是科学出版社旗下期刊,与牛津大学出版社联合出版。《知识分子》获NSR授权刊发该文中文版。
 
英文原文链接:https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwz120/5550235
 



推荐 0