尹懷勤

2019年，恰逢人類探索月球60周年，同時(shí)也是人類實(shí)現(xiàn)首次載人登月30周年。幾十年前，完成人類一系列載人登月飛行任務(wù)的“阿波羅計(jì)劃”，以美國(guó)總統(tǒng)肯尼迪的那句“我們選擇去月球，不是因?yàn)樗苋菀?，而是因?yàn)樗茈y”為開(kāi)端，而今天，隨著人類一次次探月的成功，月球的神秘面紗終于被一點(diǎn)點(diǎn)揭開(kāi)。更加值得一提的是，就在2018年年底，中國(guó)成功發(fā)射了“嫦娥四號(hào)”探月器，實(shí)現(xiàn)人類首次軟著陸月球背面，“嫦娥”圓了“月背之夢(mèng)”，也讓這個(gè)以往飽含科幻色彩的“月之暗面”公之于眾。探月路漫漫，“嫦娥奔月”的古老神話故事一步步變成現(xiàn)實(shí)，這其中承載和積淀的，是一代代中國(guó)航天人的辛勤耕耘。

本文將較為完整地介紹中國(guó)探月計(jì)劃，把“嫦娥奔月”那些事給同學(xué)們一次說(shuō)個(gè)清楚。

月球到底有何魅力？

月球是人類發(fā)射航天器進(jìn)行探測(cè)次數(shù)最多的地外天體，也是迄今為止航天員唯一登陸其表面的星球。然而，除了它鮮亮的外表和古代中國(guó)“嫦娥奔月”的美麗傳說(shuō)讓許多人為之神往，月球到底有何魅力，讓一代代科學(xué)家為之辛勤探索？

回答這個(gè)問(wèn)題，同學(xué)們要先把月球的概況了解清楚。月球作為地球的天然衛(wèi)星，人們通常將其稱為月亮。它沒(méi)有大氣層，不能發(fā)光，人們看到的月光僅是月球反射的太陽(yáng)光。月球與地球的平均距離是38.44萬(wàn)千米，直徑約3 678千米，其體積僅為地球體積的2%，質(zhì)量相當(dāng)于地球質(zhì)量的1/81。月面重力約相當(dāng)于地球重力的1/6（打個(gè)比方，如果你的體重在地球上測(cè)量為60千克，到月球上則約為10千克）。月球圍繞地球自西向東運(yùn)行1周需要27日7時(shí)43分11.545秒。由于月球-繞地球公轉(zhuǎn)和它自轉(zhuǎn)的方向一致、周期相當(dāng)，故而總是以同一面對(duì)著地球，而那個(gè)“從不示人”的另一面，便是月球的背面。

別看月球的體積相對(duì)地球來(lái)說(shuō)很小，稀有金屬的儲(chǔ)藏量卻比地球多得多。月壤中還含有豐富的氦-3（一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭、性質(zhì)穩(wěn)定的氦同位素氣體），利用氘和氦-3進(jìn)行的氦聚變可作為核電站的能源。有科學(xué)家預(yù)言，月球可能成為人類進(jìn)駐外太空的起點(diǎn)。

中國(guó)如何探月？讓“嫦娥”告訴你

人類發(fā)射航天器探測(cè)地外天體便是從月球開(kāi)始。2004年1月，中國(guó)的探月計(jì)劃經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期論證正式立項(xiàng)，被稱作“嫦娥工程”，具體按照“繞、落、回”三步走的計(jì)劃進(jìn)行。

“嫦娥”，是中國(guó)當(dāng)之無(wú)愧的“探月大使”。截至2018年年末，我國(guó)已經(jīng)先后順利完成了“繞”和“落”前兩步預(yù)定的探測(cè)任務(wù)。此外，“嫦娥二號(hào)”還進(jìn)行了多項(xiàng)拓展性試驗(yàn)，成為我國(guó)飛離地球最遠(yuǎn)的航天器。

2014年10月，探月工程三期再入返回飛行試驗(yàn)器試驗(yàn)成功，則為“嫦娥五號(hào)”返回地球提供了技術(shù)支撐。而預(yù)計(jì)在2019年，我國(guó)將發(fā)射“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器軟著陸月面采樣并返回地球，最終完成第三步“回”的探月任務(wù)。

說(shuō)到這，你可能還記得前面提到過(guò)，月亮總是以一面對(duì)著地球，那些去往月球的探測(cè)器也絕大多數(shù)著陸于這一面，卻鮮有踏足“月球的另一面”。然而，就在2018年12月8日，中國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器，并成功軟著陸月球背面，這是人類首次，也是中國(guó)探月工程行進(jìn)15年來(lái)又一嶄新的突破。

解開(kāi)月背之謎，“嫦娥四號(hào)”來(lái)了

到中國(guó)“嫦娥三號(hào)”登月時(shí)，人類已經(jīng)在月球正面發(fā)射了20個(gè)著陸器，然而，背面依然為零。之所以一直探測(cè)正面，在正面著陸，卻從不去背面，一個(gè)重要原因就是，著陸月背的難度大大高于正面。

月之背為何如此神秘

在人類熟知的天體中，除了太陽(yáng)，月球應(yīng)該是咱們的“老鄰居”了，然而這個(gè)“老鄰居”卻有一個(gè)怪習(xí)慣，就是永遠(yuǎn)用一面對(duì)著人類，而另一面始終“羞于示人”，這到底是為什么呢？對(duì)于這一問(wèn)題，有關(guān)專家指出，潮汐作用是原因之一。

原來(lái)，地球和月球之間是相互繞轉(zhuǎn)的，它們彼此都會(huì)給對(duì)方施加潮汐力。地球上的潮汐現(xiàn)象，便與月球?qū)Φ厍虻囊τ嘘P(guān)。而在月球形成早期，它的自轉(zhuǎn)速度比現(xiàn)在快得多，自轉(zhuǎn)周期只有幾個(gè)小時(shí)，數(shù)億年來(lái)，在潮汐力的作用下，月球自轉(zhuǎn)速度不斷變慢，直到現(xiàn)在，月球自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期變得幾乎一致——都是近28天，這才使得月球始終以一面對(duì)著地球。

人類自然會(huì)對(duì)它那“神秘的背面”產(chǎn)生好奇，可是卻限于科學(xué)技術(shù)的短板，一直心有余而力不足。要知道，月球背面有著天然的“屏障”，沒(méi)有任何來(lái)自地球的輻射干擾，這也意味著，即使人類將探測(cè)器發(fā)射成功著陸，也會(huì)因?yàn)樘綔y(cè)器“失聯(lián)”而束手無(wú)策。

架起“鵲橋”連地月

在“嫦娥三號(hào)”任務(wù)取得圓滿成功后，我國(guó)最終確定了“嫦娥四號(hào)”著陸月球背面的實(shí)施方案，由此正式向著陸月球背面這個(gè)艱難的任務(wù)發(fā)起挑戰(zhàn)。

由于月球背面永遠(yuǎn)躲在地球的視線之外，“嫦娥四號(hào)”著陸在月背之后如何實(shí)現(xiàn)與地球的信號(hào)傳輸就成了一個(gè)必須解決的問(wèn)題。于是，我國(guó)科研人員構(gòu)想向地一月拉格朗日L2點(diǎn)發(fā)射一顆衛(wèi)星，在暈軌道（航天器圍繞平動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡，這個(gè)平動(dòng)點(diǎn)在地一月連線的延長(zhǎng)線上，軌道半徑超過(guò)3500千米）上運(yùn)行，作為空間通訊中繼站，此舉也是“嫦娥四號(hào)”任務(wù)能夠成功開(kāi)展的一大關(guān)鍵。

于是，2018年5月21日5時(shí)28分，我國(guó)在西昌用“長(zhǎng)征四號(hào)”丙運(yùn)載火箭成功將探月工程“嫦娥四號(hào)”任務(wù)“鵲橋”號(hào)中繼星發(fā)射升空。隨后，“鵲橋”號(hào)中繼星成功實(shí)施軌道捕獲控制，進(jìn)入環(huán)繞距月球約6.5萬(wàn)千米的地一月拉格朗日L2點(diǎn)的暈軌道運(yùn)行。

“鵲橋”號(hào)中繼星就像建在地球和月球間的一座信息中轉(zhuǎn)站，專門(mén)用來(lái)接收和轉(zhuǎn)發(fā)兩者發(fā)出的信號(hào)，在地月之間成功“架鵲橋”，讓月球背面不再是通信盲區(qū)（同學(xué)們?nèi)绻肓私飧釉敿?xì)的內(nèi)容，可以閱讀《科學(xué)大眾·中學(xué)生》2018年9期《解密“嫦娥”：“奔月”也是個(gè)“技術(shù)活”》一文）。

人類首次實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸

有了“鵲橋”中繼通訊衛(wèi)星這個(gè)利器，只等“嫦娥四號(hào)”成功著陸與之互通聯(lián)系，從而開(kāi)啟我國(guó)探測(cè)月背之旅。

“……3、2、1，點(diǎn)火！”伴隨著巨大的火箭轟鳴，2018年12月8日2時(shí)23分，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心“長(zhǎng)征三號(hào)”乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射“嫦娥四號(hào)”探測(cè)衛(wèi)星。

相較于“嫦娥三號(hào)”，“嫦娥四號(hào)”落月難度更大，主要因?yàn)樵虑虮趁孢@一特殊環(huán)境。有專家形容，“‘嫦娥三號(hào)相當(dāng)于在華北平原著陸，而‘嫦娥四號(hào)則是在崇山峻嶺的云貴川地區(qū)著陸”，落月過(guò)程地球方向不直接可見(jiàn)，所有信息傳輸都需要由中繼星“鵲橋”號(hào)中轉(zhuǎn)，這無(wú)疑增加了風(fēng)險(xiǎn)。于是，研究人員將落月系統(tǒng)（GNC系統(tǒng)）設(shè)計(jì)了延時(shí)數(shù)據(jù)注入功能，就是提前把要發(fā)送給著陸器計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送到著陸器上暫存，這個(gè)數(shù)據(jù)包是帶有時(shí)間標(biāo)簽的，待到著陸器上的時(shí)間和該標(biāo)簽相同時(shí)，數(shù)據(jù)便自動(dòng)注入。如此，“鵲橋”號(hào)就成為了備份手段。系統(tǒng)還可以全程自主進(jìn)行故障診斷與重構(gòu)，萬(wàn)一發(fā)生故障，探測(cè)器可以隨時(shí)給自己“診斷”，找到病灶并解決。通過(guò)各部分功能的優(yōu)化、再組合，著陸器可以確保整體功能正常。到2019年1月3日10時(shí)26分，“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器成功著陸在月球背面東經(jīng)177.6度、南緯45.5度附近的預(yù)選著陸區(qū)（月球背面南極艾特肯盆地內(nèi)的馮-卡門(mén)撞擊坑內(nèi)），并通過(guò)“鵲橋”號(hào)中繼星傳回了第一張近距離拍攝的月球背面照片。

與“嫦娥三號(hào)”相比，由于任務(wù)的不同，對(duì)“嫦娥四號(hào)”攜帶的有效載荷做了一些調(diào)整和變動(dòng)。比如，在能源供給方式上，“嫦娥四號(hào)”采取新的能源供給方式——同位素溫差發(fā)電與熱電綜合利用技術(shù)結(jié)合，也就是兩面太陽(yáng)翼收集的太陽(yáng)能和月球車上的同位素?zé)嵩磧煞N能源供給。當(dāng)月夜來(lái)臨，同位素?zé)嵩磳閮x器設(shè)備供熱，保證航天器在-180℃的環(huán)境中不受低溫影響。此外，“玉兔二號(hào)”月球車僅140千克，它是目前世界上最小的月球車巡視器?！坝裢枚?hào)”基本繼承了“玉兔”號(hào)的狀態(tài)，但它可以在晝夜溫差達(dá)300℃的月夜開(kāi)展工作，為了避免裸露在外的電纜出現(xiàn)故障，科研人員在電纜摩擦方面進(jìn)行了上千次實(shí)驗(yàn)。針對(duì)月球背面復(fù)雜的月貌條件、中繼通信新的需求和科學(xué)目標(biāo)的實(shí)際需要，也做了其他適應(yīng)性更改和有效載荷配置調(diào)整。

利用月球背面屏蔽地球無(wú)線電干擾的獨(dú)特條件，開(kāi)展空間科學(xué)領(lǐng)域最前沿的低頻射電天文觀測(cè)，有望填補(bǔ)國(guó)際空白。這就是說(shuō)，“嫦娥四號(hào)”能在月球背面的平靜區(qū)域開(kāi)展對(duì)太陽(yáng)和其他天體的科學(xué)觀測(cè)，成為射電天文學(xué)和其他相關(guān)科學(xué)研究的平臺(tái)。同時(shí)月球背面保存著很多古老的月殼巖石，“嫦娥四號(hào)”對(duì)其開(kāi)展月貌特征調(diào)查，有望在國(guó)際上首次建立集月形月貌、淺層結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分于一體的綜合月壤剖面和演化模型，獲得對(duì)月球早期演化歷史的新認(rèn)識(shí)，更深入地了解月球的現(xiàn)實(shí)狀況。

此外，“嫦娥四號(hào)”還攜帶了包括棉花、油菜、土豆、擬南芥、酵母和果蠅6種生物樣本，承擔(dān)生物科普試驗(yàn)工作，這也是人類首次在月球上種植植物，全部過(guò)程也會(huì)被相機(jī)記錄并回傳地球。

“嫦娥四號(hào)”開(kāi)創(chuàng)了人類探測(cè)器在月球背面著陸的歷史，布滿撞擊坑和奧秘的月球背面也迎來(lái)了它的首位“地球客人”。探月工程三期收官之戰(zhàn)。交給它們

我國(guó)的探月工程第三期就是要達(dá)到發(fā)射航天器軟著陸月面完成月球采樣，并送回地球的目標(biāo)。這項(xiàng)任務(wù)將要由新研制的“嫦娥五號(hào)”或者“嫦娥六號(hào)”來(lái)完成。

“嫦娥五號(hào)”探測(cè)衛(wèi)星著陸到月面后將進(jìn)行鉆取和鏟取兩種方式的采樣，然后通過(guò)上升、交會(huì)對(duì)接、月地轉(zhuǎn)移和高速再入返回等一系列過(guò)程，將月球樣品運(yùn)回地球，供科研人員進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)分析，以深化人類對(duì)月球情況的認(rèn)識(shí)。

“嫦娥五號(hào)”探測(cè)衛(wèi)星由軌道器、返回器、著陸器、上升器四個(gè)部分組成。其中著陸器將進(jìn)行月面軟著陸，并自動(dòng)進(jìn)行月面采樣、樣品封裝等操作。將樣品由著陸器的上升器攜帶升空進(jìn)入月球軌道，與環(huán)月軌道上的軌道器對(duì)接，將樣品轉(zhuǎn)移到返回器內(nèi)部。最后軌道器攜帶返回器點(diǎn)火機(jī)動(dòng)，從環(huán)月軌道直接返回地球，返回器將在再入大氣層前分離，最后降落在我國(guó)北方的內(nèi)蒙古草原上。

“嫦娥五號(hào)”探測(cè)衛(wèi)星預(yù)計(jì)2019年由“長(zhǎng)征五號(hào)”運(yùn)載火箭在海南省文昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。“嫦娥三號(hào)”不到4噸，而“嫦娥五號(hào)”卻達(dá)到8-2噸，質(zhì)量增加了1倍多，因此其發(fā)射任務(wù)要使用推力更大的“長(zhǎng)征五號(hào)”火箭來(lái)執(zhí)行。

如果“嫦娥五號(hào)”順利完成任務(wù)的話，可以攜帶2千克月球樣本返回地球。1970-1976年蘇聯(lián)的3個(gè)“月球”號(hào)探測(cè)器合計(jì)取回月樣僅為320克，相比之下，可見(jiàn)“嫦娥五號(hào)”的優(yōu)越性能。

按照我國(guó)探月工程的慣例，“嫦娥五號(hào)”還有一個(gè)備份星“嫦娥六號(hào)”。“嫦娥五號(hào)”往返飛行如果成功，“嫦娥六號(hào)”將會(huì)改進(jìn)技術(shù)水平，根據(jù)已有的月球探測(cè)成果，選取探測(cè)價(jià)值更大區(qū)域取樣返回。

“嫦娥五號(hào)”和“嫦娥六號(hào)”共同完成中國(guó)探月三期工程后，將為我國(guó)載人登月奠定一定的基礎(chǔ)，使“九天攬?jiān)隆庇商皆码A段進(jìn)入登月階段。時(shí)逢盛世鑄輝煌，濃墨重彩譜華章。相信我國(guó)航天科技工作者一定會(huì)為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)作出更大貢獻(xiàn)！