彭永清

人類的活動(dòng)區(qū)域正向地球之外的太空迅速擴(kuò)大。作為太空開發(fā)的舞臺(tái)，由美、俄、日、加拿大、巴西和歐空局成員國共同使用的國際空間站（ISS），將于2024年結(jié)束使命，各國也開始著手進(jìn)入太空新時(shí)代——從繞地軌道到深層宇宙。作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的基點(diǎn)，世界將目光再次投向了月球。如果能在月球上開發(fā)水資源，不僅可以解決宇航員的飲用水問題，還可以制造火箭燃料。這樣，人類就能以月球?yàn)榛氐竭_(dá)火星甚至整個(gè)太陽系。

人類50年后重返月球

2017年10月18日，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）宣布，探月衛(wèi)星“月亮女神”（又稱“輝夜”）的電波雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)表明，月球的地下存在直徑約數(shù)米的縱向孔洞和孔洞底部東西走向、全長約50公里的巨大坑洞?！霸铝僚瘛笨蒲行〗M稱，巨大坑洞即“熔巖隧道”，或是火山熔巖流出后形成的。如果對(duì)縱向孔洞和巨大坑洞進(jìn)行探查，或許能了解月球在過去是否出現(xiàn)過火山噴發(fā)、是否存在磁場，以及能否在巨大坑洞的熔巖中找到水、空氣及其他礦物質(zhì)等重要信息。目前，科學(xué)家們認(rèn)為月球上最有可能存在的是水資源，估計(jì)月球南北兩極分布有約達(dá)60噸的積冰。2017年12月，JAXA與印度宇宙研究機(jī)構(gòu)簽署協(xié)定，就可能存在積冰的月球兩極進(jìn)行探測。為探究月球的巨大坑洞能否成為人類躲避太空射線和月球表面劇烈溫差的據(jù)點(diǎn)，美國宇航局（NASA）計(jì)劃將月球探測器送入其中。在首次登陸月球約50年后，人類在月球表面構(gòu)建社會(huì)基礎(chǔ)已提上議事日程。

作為與地球最近的天體，月球是人類首先造訪、從中學(xué)習(xí)如何適應(yīng)宇宙環(huán)境并向更遙遠(yuǎn)星球出發(fā)的基點(diǎn)。但是，與充滿空氣和磁場的地球相比，月球被眾多隕石和太空射線包圍。在其赤道附近，最低溫度達(dá)零下150攝氏度，最高達(dá)120攝氏度。不過，“月亮女神”科研小組認(rèn)為，月球上的縱向孔洞及底部的巨大坑洞或許可以躲避輻射，而且溫度恒定。此外，由于巨大坑洞內(nèi)部表面覆蓋著一層硅物質(zhì)，因此密封性好，如果通過特殊裝置將空氣送入，就可以讓巨大坑洞保持適合人居的空氣壓力，這樣人類還可以將之作為長期進(jìn)行科學(xué)探測的基地。

為何人類會(huì)在21世紀(jì)的今天再次將目光投向月球？原因主要有三點(diǎn)：其一，月球是人類擴(kuò)大活動(dòng)領(lǐng)域的新?lián)c(diǎn)，也是人類探索更遠(yuǎn)星球（如火星）的基地。其二，人類通過對(duì)月球的科學(xué)探測來理解太陽系，或能揭開地球和太陽系的起源之謎；而且沒有空氣且電波無法到達(dá)的月球背面是理想的天文觀測地。其三，將月球資源作為地球資源的補(bǔ)充，為人類發(fā)展提供能源?？梢哉f，這些目標(biāo)是人類根據(jù)過去“阿波羅”等月球探測計(jì)劃所獲得的龐大數(shù)據(jù)而展開的設(shè)想?！鞍⒉_計(jì)劃”的數(shù)十年后，人類太空輸送技術(shù)和探測技術(shù)顯著提高，控制系統(tǒng)、感應(yīng)器和通信設(shè)備等的性能和可靠性都是“阿波羅”時(shí)代無可比擬的。而如何更高效、更深入地展開月球探測，則成為人類再次瞄準(zhǔn)月球的巨大動(dòng)力。

人類一度停止月球開發(fā)

1969年，美國“阿波羅計(jì)劃”令人類首次成功登陸月球。在之后的3年時(shí)間里，阿波羅飛船先后執(zhí)行過17次任務(wù)，其中6次登月成功，并將12名美國宇航員送上月球。但是自阿波羅登月成功之后，人類在近50年的時(shí)間里對(duì)月球的探測一直處于停滯狀態(tài)。究其原因，首先是月球的距離遠(yuǎn)。人們或許認(rèn)為月球離地球近，而國際空間站離地球遠(yuǎn)。實(shí)際上，國際空間站距地球僅約400公里，而月球與地球的平均距離在38萬公里以上。因此，登陸月球需要克服超乎想象的困難。二是火箭發(fā)射難度大。向月球發(fā)射的火箭，先要繞地飛行，調(diào)整軌道參數(shù)后，從國際空間站附近再飛往月球。如果要將搭載可供宇航員待上約兩周的設(shè)備、氧氣、水和食物等的太空飛船送入月球軌道，那么完成這一任務(wù)的火箭要比單純發(fā)射國際空間站的火箭龐大數(shù)倍。比如“阿波羅計(jì)劃”中的“土星五號(hào)”火箭的重量是蘇聯(lián)“聯(lián)盟號(hào)”火箭（發(fā)射至國際空間站）的10倍左右。第三，到達(dá)月球的時(shí)間長?；鸺w往月球需要多長時(shí)間？從地球發(fā)射的載人飛船或月球探測器通常都不會(huì)走直線，而是沿著大橢圓軌道飛向月球。人類第一顆月球探測器——蘇聯(lián)的“月球1號(hào)”——從地球直接飛往月球并從月球上空近6000公里處飛過，用了約兩天時(shí)間；首個(gè)攜航天員登上月球的“阿波羅11號(hào)”飛船發(fā)射后先進(jìn)入環(huán)繞地球飛行的停泊軌道，然后再經(jīng)過70多個(gè)小時(shí)的地—月飛行后進(jìn)入月球軌道，并且在發(fā)射后80小時(shí)11分進(jìn)行環(huán)月飛行，102小時(shí)45分兩名宇航員駕駛登月艙在月球表面著陸，阿波羅飛船從火箭點(diǎn)火升空到著陸月球用了4天多時(shí)間。到達(dá)月球耗時(shí)最長的是歐洲宇航局的“智慧1號(hào)”月球探測器，它采用了一種稱為離子推進(jìn)系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)，經(jīng)多次變軌，在太空中巡游了一年零兩個(gè)月才進(jìn)入環(huán)月軌道。中國“嫦娥一號(hào)”探測器在飛往月球的過程中，先由“長征三號(hào)”甲運(yùn)載火箭送入運(yùn)行周期16小時(shí)的地球軌道，運(yùn)行多圈后經(jīng)過軌道機(jī)動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行周期24小時(shí)的軌道，然后通過再次機(jī)動(dòng)進(jìn)入48小時(shí)軌道，在此過程中逐漸抬高軌道高度，最后離開地球進(jìn)入奔月軌道并飛往月球，飛行110多個(gè)小時(shí)后到達(dá)近月點(diǎn)，還要經(jīng)過三次減速機(jī)動(dòng)后，最終進(jìn)入距月球200公里的圓軌道?！版隙鹨惶?hào)”飛抵月球的時(shí)間為14天。第四，巨大的資金投入。要想登上月球，就必須制造出專門的飛船和火箭，這需要花費(fèi)巨大資金。將航天員送入繞地軌道，跟將他們送入月球所費(fèi)資金無法相提并論，后者的規(guī)模要大得多。目前為止，投入巨額資金實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)即載人月球探測。

過去的50年間，人類太空探測的舞臺(tái)是地球上空400公里軌道環(huán)繞飛行的國際空間站。在空間站里，超過100名以上的宇航員一直在進(jìn)行著有關(guān)人類未來太空生存可能性的各種實(shí)驗(yàn)，并積累了許多經(jīng)驗(yàn)。原計(jì)劃2020年結(jié)束使命的空間站在美國的提議下延長至2024年。2010年，美國率先宣布將地球周邊的太空探測任務(wù)委托給民間企業(yè)，發(fā)起更高層次的挑戰(zhàn)。各國之后也隨之響應(yīng)，紛紛提出了目標(biāo)為月球和火星等深層宇宙的探測計(jì)劃。半個(gè)世紀(jì)前，月球探測是美俄之間為顯示國威而展開的競爭，而今探月目的已經(jīng)不止于此，人類考慮的是如何開發(fā)和利用沉睡于月球的各種資源，并將其作為機(jī)器人進(jìn)行宇宙開發(fā)的技術(shù)實(shí)驗(yàn)基地。目前世界各國的月球探測均表明月球上存在含有礦物質(zhì)的水和冰——在太空中，這些可供人類生存的物質(zhì)是極其寶貴的。如果能將月球上的水變成宇航員所需的飲用水，就能將氫和氧分解作為火箭燃料使用，或許人類還可從月球上發(fā)射探測器至更遙遠(yuǎn)的火星。另外，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)月球表面某處的光照時(shí)間長達(dá)半年以上。由此看來，既可確保能源供給，又在物質(zhì)運(yùn)輸和通訊等方面具備條件的月球，有望未來成為登陸小行星等的太空飛船的技術(shù)實(shí)驗(yàn)場、火星探測火箭的開發(fā)場地，以及為探測太陽系進(jìn)行各種新技術(shù)實(shí)驗(yàn)的場地。

各國瞄準(zhǔn)登月目標(biāo)

目前，各國正掀起重返月球的熱潮。2017年10月，美國總統(tǒng)特朗普首次召開國家宇宙會(huì)議，副總統(tǒng)彭斯宣布將再次向月球輸送宇航員，并構(gòu)建飛向火星的基地。美國今年將利用SLS重型運(yùn)載火箭和“獵戶座”太空飛船進(jìn)行月球無人飛行計(jì)劃（EM-1，即Exploration Mission-1），接著于2020年左右完成該組合的載人飛行（EM-2，即Exploration Mission-2）。該計(jì)劃具體為：通過首次飛行的SLS火箭將“獵戶座”無人飛船送入距月球表面約7.5萬公里高的繞月軌道，并在26天至40天的時(shí)間里對(duì)飛船進(jìn)行反復(fù)測試。無人飛行成功后，再將宇航員送入月球背面進(jìn)行為期1至3周的往返飛行，最后返回地球。2017年12月11日（45年前“阿波羅17號(hào)”宇宙飛船登月的日子），特朗普簽署了美國太空政策1號(hào)文件。盡管NASA此前就已經(jīng)公布了2025年之后完成繞月國際空間站的“深層宇宙探測門戶”（ DSG，即Deep Space Gateway）計(jì)劃，但這一旨在月球附近建造擁有居住空間和發(fā)電裝置等設(shè)備的巨大建筑物并將之作為通向深層宇宙的中轉(zhuǎn)站的構(gòu)想，獲得的是政治上的支持。

美國的這一構(gòu)想與俄羅斯聯(lián)邦航天局（ROSCOSMOS）的探月計(jì)劃不謀而合。2016年6月，俄羅斯國家航天集團(tuán)的研究機(jī)構(gòu)表示，俄羅斯計(jì)劃于2035年至2040年實(shí)施6次超重型火箭探月任務(wù)。據(jù)俄羅斯中央機(jī)械制造研究所稱，一子級(jí)的超重型運(yùn)載火箭預(yù)計(jì)在2035年完成研發(fā)，以便向低地軌道運(yùn)送不少于80噸的有效載荷，進(jìn)而在2040年之前完成一次重約20噸的“聯(lián)邦號(hào)”載人飛船進(jìn)入月球人造衛(wèi)星軌道的發(fā)射入軌任務(wù)。俄國家航天集團(tuán)表示，用于載人探月的一子級(jí)需要使用“安加拉”重型運(yùn)載火箭。一次短期的探月之旅將需要發(fā)射4次具有可增加載貨能力的“安加拉”A5V運(yùn)載火箭，而一次長時(shí)間的停留則需進(jìn)行6次發(fā)射。考慮到具體燃料成分，所有發(fā)射任務(wù)將不得不在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。因此，東方航天發(fā)射場和普列謝茨克發(fā)射場都將用于此探月項(xiàng)目。另外，俄羅斯航天員將在2029年乘坐新一代“聯(lián)邦號(hào)”載人飛船執(zhí)行首次載人飛行探月任務(wù)，在首次飛行的前一年進(jìn)行一次繞月飛行，并對(duì)隨后用于載人著陸的空間設(shè)備進(jìn)行測試和驗(yàn)證。2017年9月，ROSCOSMOS 與NASA宣布就在月球附近聯(lián)合開發(fā)國際空間站達(dá)成一致。同時(shí)，作為航天大國，俄羅斯還利用其世界唯一具備將宇航員送入國際空間站的技術(shù)獨(dú)立推進(jìn)登月計(jì)劃，比如2030年實(shí)現(xiàn)載人繞月飛行和月表登陸；著手月球基地建設(shè)和登陸飛船的開發(fā)；2019年至2024年陸續(xù)向月球發(fā)射4個(gè)探測器，等等。

繼俄羅斯和美國之后第三個(gè)將人類送入太空的國家——中國也計(jì)劃在2025年以后實(shí)現(xiàn)載人探月和建造月球基地。2017年4月，中國“長征七號(hào)”火箭將無人太空貨船“天舟一號(hào)”送入太空，并與“天宮二號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙成功對(duì)接，這一成功實(shí)驗(yàn)為中國掌握空間站食物和燃料補(bǔ)給技術(shù)、向最終獨(dú)立建造國際空間站邁出了堅(jiān)實(shí)一步。2013年，中國“嫦娥號(hào)”月球探測器發(fā)射升空，其搭載的“玉兔號(hào)”月球車對(duì)月表進(jìn)行了首次探測，預(yù)計(jì)2019年前后還將發(fā)射無人探測器從月球采集巖石和土壤樣本。中國正在實(shí)施將月球上挖掘的核聚變?nèi)剂稀昂?”用于地球的大膽計(jì)劃。不僅如此，中國將在未來20年投入總額達(dá)800億美元的太空預(yù)算，包括2020年發(fā)射火星探測器（從火星上自動(dòng)采集土壤樣本、拍攝火星附近小行星等），以及在2031年至2036年間實(shí)現(xiàn)載人探月計(jì)劃。中國國家航天局表示，如果中國實(shí)現(xiàn)載人探月這一目標(biāo)，將一躍成為世界第一宇宙大國。

印度在太空探測方面也不甘落后。2008年10月22日，印度首顆月球探測器成功發(fā)射升空。該探測器攜帶了美國NASA提供的兩部測量儀器，一個(gè)是用于調(diào)查月球礦物資源的The Moon Mineralogy Mapper（M3），另一個(gè)是對(duì)月球背面進(jìn)行測繪和積冰調(diào)查的Miniature Synthetic Aperture Radar（Mini-SAR）。印度希望通過這兩部儀器所獲得的探測數(shù)據(jù)來更詳細(xì)地了解月球表面環(huán)境，揭開月球起源與地貌成因，以及太陽系的演化對(duì)類地行星的影響等謎團(tuán)。不過，該探測器在進(jìn)入預(yù)定軌道后不久便與地面指揮中心失去聯(lián)系，該計(jì)劃因此宣告失敗。令人驚奇的是，該設(shè)計(jì)年限為一至二年的探測器在失聯(lián)8年后的2017年，竟被NASA使用的70米口徑天線發(fā)射高能微波束發(fā)現(xiàn)，仍在約200公里高的月球軌道上繞行。

日本也在不斷推進(jìn)宇宙開發(fā)，以期在人類太空探測中占據(jù)一席之地。雖然日本是亞洲唯一參與國際空間站活動(dòng)的國家，但政府并未提出探月的具體戰(zhàn)略。因此，日本文部科學(xué)省委員會(huì)于2017年11月提出了“國際合作進(jìn)行月球探測”的目標(biāo)，認(rèn)為日本應(yīng)該參與相關(guān)國家的月球同步軌道空間站建設(shè)、月球載人探測計(jì)劃，以及向太空運(yùn)送物質(zhì)和月表著陸等的技術(shù)開發(fā)。就輸送技術(shù)來說，日本于2013年4月通過大型H2B火箭成功發(fā)射了一架無人運(yùn)輸機(jī)“鸛”并為國際宇宙空間站補(bǔ)給物資；載人技術(shù)方面，日本在國際空間站的“希望號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙正通過各種測試（比如讓人適應(yīng)太空溫差巨變、調(diào)節(jié)飛船內(nèi)溫度和濕度等），來確立在太空中維持生命的必要技術(shù)；在著陸和探測技術(shù)方面，日本先進(jìn)的汽車制造技術(shù)也將用于月球探測，目前正就可在月球表面砂塵中快速行走的太空車開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行官民合作。

如今的探月計(jì)劃，已經(jīng)不再是冷戰(zhàn)時(shí)代的競爭開發(fā)，而是需要世界各國共同努力來實(shí)現(xiàn)。人類要再次奔向月球，需要掌握輸送、載人、著陸和探測技術(shù)。為此，世界各國的宇宙機(jī)構(gòu)要聯(lián)手共同開發(fā)。

人類欲從月球到火星甚至更遠(yuǎn)

與月球一樣，火星表面也被發(fā)現(xiàn)存在著縱向孔洞和底部巨大坑洞。只要人類將月球作為奔赴火星或更遠(yuǎn)星球的前哨基地，就有可能通過技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的積累，在未來亦將火星作為長期進(jìn)行無人和載人探測的活動(dòng)基地?？茖W(xué)家們認(rèn)為，火星地下坑洞內(nèi)很可能存在生命體或者已經(jīng)完成進(jìn)化的場所。其內(nèi)部不僅能防止隕石墜落、輻射和紫外線傷害，還留有過去火山爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的熱量，甚至有水源。隨著火星探測的不斷深入，人類或?qū)⒃谀抢镎业竭m合各種生物生存的生態(tài)系統(tǒng)。

不過，登陸火星并非易事。先要解決的問題就是在月球建立發(fā)射基地和中轉(zhuǎn)站，然后則是人類登陸火星須掌握的到達(dá)技術(shù)、生活技術(shù)和返回技術(shù)。其中最重要的是生活技術(shù)，首先是如何防止火星的強(qiáng)烈輻射——是在地下建造居住空間，還是利用防輻射物質(zhì)來建造半圓形住宅？在人類尚不具備在月球上長期生活經(jīng)驗(yàn)的情況下，防止高輻射顯然非常必要。其次，人類認(rèn)為火星上可能存在地下水，但如何獲取并利用這些水源也是一個(gè)問題。此外，還要解決太空飛船機(jī)體的耐熱性能這一大問題。飛船在進(jìn)入大氣層時(shí)表面溫度高達(dá)1500攝氏度，因此必須確保艙內(nèi)溫度適宜，才能保證宇航員從火星返回時(shí)的安全性。

無論是登陸月球還是更遠(yuǎn)的火星，人類都必須進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。這也是許多科學(xué)家主張應(yīng)先在月球表面進(jìn)行反復(fù)而深入的實(shí)際驗(yàn)證后再討論火星計(jì)劃的原因。而且，由于月球表面實(shí)證實(shí)驗(yàn)計(jì)劃需要花費(fèi)龐大資金，單憑一個(gè)國家難以完成，因此必須舉全人類之力來攻克這一難關(guān)。從月球登陸到奔赴火星生活，這或是人類未來的必經(jīng)之路。而且，隨著人類智慧的不斷升級(jí)，許多難題都將被一一攻克。未來，充分掌握了空間站技術(shù)以及在其他行星上建立居家環(huán)境的人類，或許不僅可以在月球、火星，還可能在金星、木星甚至整個(gè)太陽系中更長久地生活下去。