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新沂光能连续三天上涨4%,本月突破峰值20%。

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“嫦娥五号”预计今年年底发射,中国的探月是如何开展的?专访中国探月工程首任首席科学家欧阳自远

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本文刊载于《三联生活周刊》2019年第26期,原文标题《探月是深空探测的开始》

按照计划,2019年年底“嫦娥五号工程”将实施,与四个“姐姐”单程绕月和落月并开展科学探测不同,“嫦娥五号”实现月面软着陆后,不仅要开展月面探测活动,还要利用电铲铲取月表土壤样品和钻孔岩心取样,并将其取得的全部样品带回地球。届时,我国探月工程“绕、落、回”三期任务将画上一个句点。

记者/王珊

“嫦娥五号”预计今年年底发射,中国的探月是如何开展的?专访中国探月工程首任首席科学家欧阳自远

中国探月工程的首任首席科学家欧阳自远 (视觉中国供图)

第二次探月高潮

三联生活周刊:您曾说过,您为中国开展月球探测做了长期的准备,但是开始研究月球样品与月亮结缘于上世纪70年代末,能否讲讲这种缘分,当时世界范围内对月球的探索是什么样子的?重庆事件_今日消息

欧阳自远:1978年5月,时任美国总统卡特的特使布热津斯基来华,为中美正式建交做准备,他代表卡特总统向中国赠送了两件礼物:一面中国国旗,一小块月球岩石。他们走后,我们政府希望国内科学家研究一下那是不是月球上的石头。那时,我因为搞过陨石等地外物质研究,就被找去领了任务。那块石头浇铸在有机玻璃里,外形做了一个凸透镜,乍一看挺大的,砸开来只有黄豆大小,大约1克重。我不舍得用完,一半送给了北京天文馆,请他们向公众展出“月亮的石头”,现在还在展出。另外一半,我们花了四个月的时间组织全国的相关实验室进行系统深入研究,最后发现这块石头是“阿波罗17号”载人登月采集的70017-291号月球岩石,属于高钛月海玄武岩,我们相继发表了14篇研究论文,它的形成与演化历史我们都搞清楚了。

此时,第一次探月高潮刚刚结束。1958年至1976年,在冷战背景下,美国和苏联展开了以月球探测为中心的空间霸权争夺赛。在将近20年的时间里,美国和苏联共发射108枚月球探测器,成功65枚,失败43枚;成功率大约60%,失败率大约40%。1969年7月,美国“阿波罗11号”飞船登陆舱着陆月面,实现了人类首次登月,把人类的第一个脚印踩上了月球。之后,美国一共实现了6次载人登月,12名美国宇航员登陆月球;苏联由于火箭连续失败,没有一位宇航员登陆月球,苏联在竞争中彻底失败。美国宇航员从月球带回月球岩石和土壤样品381.7千克和难以计数的科学数据;苏联三次发射机器自动取样器,一共取得0.3千克月球土壤样品返回地球。

苏联解体以后,美国基本停止了对月球的探索,转而开展航天飞机和国际空间站活动,世界上的其他各个国家对探月也不再有什么兴趣,这样的时间持续了有20多年。直到上世纪末本世纪初,包括中国、美国、欧空局、俄罗斯、日本、德国、英国、法国、印度、韩国等在内的十几个国家和机构提出要再次展开对月球的探索,掀起了第二次探月高潮。

三联生活周刊:第二次探月高潮与第一次有什么不同?

欧阳自远:第二次月球探测,世界各国的潮流呈现出一条非常清晰的轨迹——以月球资源、能源和特殊战略地位的探测为主要任务,即由第一次探月高潮的“政治与科学兼具之旅”上升到“太空应用之旅”,开发与利用月球资源与能源,成为月球探测的主旋律。这后面的背景是人类居住的地球正遭受人口膨胀、资源匮乏、环境恶化、生态脆弱、灾害频发等方面的空前压力,在改变人类生活方式以保护地球的同时,向太空开拓生存空间,索取资源与能源,正是人类社会可持续发展不可或缺的远大战略目标。

比如说,2006年,在一次闲聊中,我问过俄罗斯的探月首席科学家加里莫夫院士,俄罗斯探月的终极目标是什么?他回答我说“为了解决全人类的能源问题”。我当时告诉加里莫夫院士,2007年“嫦娥一号”即将发射,我们将要探测全月球土壤层的厚度与分布,获得全月球氦-3资源的分布和资源总量。氦-3是太阳风的重要组成部分,太阳风难以进入地球表面,但可以直接注入月球表面的土壤层中,因而月球表面的土壤层蕴藏有极其丰富的氦-3资源。氦-3是一个稳定的同位素,是未来核聚变发电的主要能源原料。根据理论测算,月球土壤层中氦-3的蕴藏总量有100万~500万吨。

后来,“嫦娥一号”的微波辐射计,精细测定了月球表面的亮度、温度,计算出月球表面土壤层的厚度与分布,获得全月球土壤层中的氦-3资源分布和资源总量为103万~129万吨。这个数量级别听起来比地球上万亿吨级的煤和石油要少得多,但如果将来人类实现了氘-氦-3核聚变发电,每年只需要100吨氦-3就足以解决全人类一整年的能源需求。月球上的氦-3足以解决人类未来上万年的能源需求。

“嫦娥五号”预计今年年底发射,中国的探月是如何开展的?专访中国探月工程首任首席科学家欧阳自远

2007年10月24日,四川西昌卫星发射中心,"嫦娥一号"卫星发射(视觉中国供图)

无人月球探测:“绕、落、回”

三联生活周刊:中国的探月是如何开始的?

欧阳自远:1992年,我国“载人航天”项目国家批准立项。我是1993年通过中国空间技术学会向“863计划”专家组提出中国开展月球探测工程的建议的,大的背景就是刚才提到的一点。另外一个情况跟我们国家的经济实力、技术能力和科技队伍的增强和提高也有关系。“863计划”专家组要求递交一份正式申请立项的报告。几个月后,项目得以批准,我承担的任务是提交《中国开展月球探测的必要性和可行性研究》报告,给了2.5万元经费,研究期限是1~2年。

这份报告要说清楚的第一个问题,就是我们国家有没有必要做这件事情,或者是不是推迟等国家富强了再做,因为月球探测这一块牵扯面太多,用钱也会很多。我从国内的科学积累到人才队伍进行了论述,并指出我国的探测器系统、运载火箭系统、发射场系统、地面测控系统和地面应用系统是能够承担探月的任务的。评审时,专家委员会认为月球探测工程不仅不会拖我们国家经济建设和国家发展的后腿,相反,还有能力推动科技进步、经济发展和人才队伍的成长。评审专家们的一致意见是,中国开展月球探测非常有必要,完全有可能!

不过,在项目后续论证的过程中,开始有反对的声音出现。有人认为国际上已经接近20年没有任何国家探测月球了,美国的“阿波罗计划”后来也没有了声音,可见劳民伤财,得不偿失,既然如此,中国为什么还要走别人不走的老路呢?也有人认为,中国真要进入深空,那就盯住火星探测,不要炒冷饭。第三种看法则是从经费上考虑的,认为国家航天的蛋糕就这么大,探月工程再切去一块,别人还吃什么?既然有兴趣搞太空探测,可以利用过去已发射的卫星对太阳系进行观测。但这样的观测其实就是在绕着地球转的卫星上看太阳系,而不是直接到太阳系各层次的天体上进行科学探测。这口气就有点像忙着打麻将的大人跟身边凑热闹的孩子说:“你要玩,自己一边玩去,打打游戏,看看电视都成。”

好在,当时绝大多数两院院士都支持开展月球探测工程。王大珩、陈芳允、杨嘉墀三位院士以“863计划”的名义,发表了《我国月球探测发展的建议》,时任全国政协副主席徐匡迪发言说,如果认为不比别人高明就不去做了这种话是不符合实际的,如果按照这样的逻辑,对国外一切先进的东西都不必学习、借鉴、研制,那么我们今天还在坐牛车,住茅草房;而且中国人如果不做的话,那就只能买了,可月球能买吗?月球资源、月球环境能进口吗?

我当时自己算过探月一期工程的总经费,大概是14亿元。那时在会上,我经常举一个例子:在北京修建1000米地铁的造价是7亿元人民币,即用在中国进行首次月球探测工程的钱,只需要在北京新建2000米地铁的经费。探月第一期工程我们将建设月球探测的基础设施,圆满完成科学探测任务,培养一支月球探测工程技术队伍和科学研究队伍,为以后的深空探测打好坚实的基础。

三联生活周刊:我国月球探测第一阶段划分为“绕”“落”“回”三期,这些是怎么确定的呢?

欧阳自远:我们当时做了一个《中国月球探测的发展战略和长远规划》。根据我国的科学技术水平、综合国力和国家整体发展战略,以及参考世界各国重返月球的战略目标和实施计划之后,科研人员认为,我国月球探测近期应不以载人为宗旨,张勇海底捞_今日消息是无人月球探测,而不是载人登月。我们当时把中国的无人月球探测阶段分为三期,第一期是“环月卫星探测”,要做的是研制和发射我国第一颗极轨月球探测卫星,计划环绕月球运行一年,对月球进行全球性、整体性和综合性探测,执行工程任务的是“嫦娥一号”和“嫦娥二号”;第二期是“落月探测”,即在月面软着陆,开展着陆器的就位探测与月球车的月面巡视勘察,两种探索方式的结合,在国际上已有的探测方式中尚属首次,执行工程任务的是“嫦娥三号”和“嫦娥四号”;第三期是“采样返回”,这是在“嫦娥二期工程”基础上的一个飞跃,更是后期载人登月工程的一个起点,它的突破在月面采集样品技术、自动钻孔取样技术、返回舱返回地球技术等。我们将这三期工程称为“中国无人月球探测三步走计划”。

当然,如果从更长远的探测来看,我们的月球探测则有三车手骨面具_今日消息大阶段:无人月球探测阶段、载人登月阶段、建立月球基地。时任国防科工委副主任、国家航天局局长栾恩杰听了计划后,他说为了方便公众理解,将第一阶段无人月球探测阶段用简明的“绕”“落”“回”取代,而三大阶段则综合简化为“探”“登”“驻”,并指出三大阶段是人类探测月球的共同途径。

三联生活周刊:您在工程里担任首席科学家,据说这是第一次在航天重大工程里设置这样一个职位?

欧阳自远:是的。当时国防科工委成立了中国月球探测工程领导小组,栾恩杰为中国月球探测计划“嫦娥一号工程”的总指挥,栾恩杰是哈尔滨工业大学自动控制专业毕业的,后来又在清华大学精密仪器专业读研,参加工作后一直在导弹部队或者导弹研制部门。任命孙家栋为总设计师,他曾是“东方红一号”的总设计师,他的人生几乎是我国航天事业发展史的一个缩影。

我是首席科学家,这是我国航天重大工程里首次设置首席科学家一职。首席科学家的设立,意味着在以往航天重大工程里具有的指挥系统、设计系统之外,现在又设立了科学家系统。除了设计我国月球探测的长远规划、发展战略和首次探月的目标,确定所有的探测技术指标和要求外,科学家系统的职责还应建立好接收和研究系统,当探月卫星成功入轨之后,对从月球发回来的数据要接收、解码、校正、储存,生产多级高级数据,向全国或者全世界发布科学探测数据,组织国内外科学家进行科学研究和编制各种图件。

到现在,我感觉到“嫦娥工程”非常大的一个收获是,我们这支队伍成长起来了,你可以看到后续的“嫦娥二号”“嫦娥三号”“嫦娥四号”的组织队伍已经不是我们这三架马车上的老头了,而是一批年轻的队伍,里面包括60后、70后、80后。他们都是从重担底下成长的精英们。从科学数据、技术能力、知识水平、组织协调能力来看,年轻人太值得信赖了。

三联生活周刊:嫦娥一号、二号、三号的任务的执行中,有什么印象深刻的事情吗?

欧阳自远:作为我们国家对月球的首次探测,“嫦娥一号”有很多工作要做,有许多科学目标要达成,其中包括其他国家早已做过的一些基础性工作。我们是后来者,凡是前人做过的工作,我们一定要比他们做得更好。比如,一张地图,别人或许做过十几个版本了,但我们要争取做一张更精准的、更好的地形图和三维立体图。还有其他国家没做过的工作,我们更要积极探索。本着这样的初衷和要求,“嫦娥一号”自发射开始一直在规规矩矩地执行使命,历时13天14个小时19分,行程206万公里到达月球,接着保持距月表200公里的高度绕着月球飞行,并打开相机拍照。照相机在同一个位置会拍三张照片,镜头分别朝前、朝下、朝后,在飞行过程中,三张照片会被衔接起来。为什么要这样拍呢?因为想得到立体的照片。人有两只眼睛,看东西是两个视角,组合起来看到的才是立体的画面,那么三个视角就更加全面立体了。凭借这个办法,我们得到了全世界最棒的月表地图和三维立体图。

“嫦娥一号”发射升空后,当指挥大厅里宣布“嫦娥一号”被月球成功捕获,终于成为一颗真正的绕月卫星时,我跟孙家栋紧紧相抱,人类历史上有太多的月球探测器因为没有被月球捕获而失败,我们终于跨过了这个难关。我记得当时有媒体的镜头对着我,希望我谈谈自己当时的心情,我太激动了,一直在重复四个字,“绕起来了,绕起来了,绕起来了。”

要知道,我们的开始是非常难的。整个“嫦娥一号工程”,共有几万人参与,大多数人一开始并不了解月球,所以我们需要写一部《月球科学概论》,还要有一本《嫦娥工程手册》,让工程人员了解有关月球已知的参数,这对他们的工程设计十分重要。《月球科学概论》有50多万字,我们用几个月的时间完成了初稿。

在“嫦娥一号”圆满完成任务的情况下,“嫦娥二号”在2010年也发射升空了。这次我们胆子大了,直奔月球,原先这个过程花了13天,现在只要5天就到了。探测考察时“嫦娥二号”离月表距离更近,飞行高度100公里,相机经过改造之后可以像人眼一样去拍摄。从它拍摄的照片中我们能清晰地看到月表上大大小小的坑洞,光是公里级(直径几公里)的就有三万多个。最后我们对照片进行汇总,得到了一张分辨率可达七米的地图。也就是说,地球上直径大于7米的东西搁在月球上,它的图像一定能清晰地被“嫦娥二号”捕捉到。

“嫦娥二号”只用了半年时间就完成了既定的月球探测任务,接着我们下达指令让它飞到离地球150万公里远的日-地拉格朗日2点上打开仪器,监测太阳。这项工作持续了235天,其间积累了大量太阳活动的数据和证据。后来,在用望远镜观测星空的过程中,我们发现七星子_今日消息了一颗小行星,它的名称是“战争之神”,并预计它将大约在2029年飞临地球附近甚至撞击地球。鉴于不知道这颗行星的大小和具体情况,我们就又把“嫦娥二号”派去跟“战争之神”见面了。根据要求,“嫦娥二号”要飞行700万公里,在与“战争之神”擦肩而过的瞬间对其进行拍照记录。我们要求“嫦娥二号”与小行星“擦肩”而过的距离必须控制在一公里以内,不能太近也不能太远,否则就会造成拍的照片不清晰或撞击小行星而破碎。“嫦娥二号”做到了,在距离“战争之神”860米的时候与其擦肩而过,一瞬间就把小行星的形貌、大小、运行轨道和表面特征搞清楚了,小行星长4.6千米,直径2.4千米,表面有一些撞击坑。当前,“嫦娥二号”已飞离地球4亿多公里,成为一个人造小天体围绕太阳运行,我们祝福它一路平安。

“嫦娥三号”是2013年12月发射的月球软着陆探测器,由四条腿的月球着陆器和月面巡视探测器(月球车)两部分组成,两个部分都需要在月球软着陆。按照我们的设计,探测器被月球捕获后开始调整轨道,在距月表15公里的时候到达指定地点的上空进行着陆。在月球上着陆有一定的危险,如果不是软着陆就会直接砸在月表摔得粉身碎骨。月球属于真空环境,降落伞毫无作用,所以在着陆器的底部安装了一个发动机把它往上推,卸掉一部分下坠的力,让它缓慢地下落。下降到100米高度的时候要暂时停胡丽妹_今日消息止下落,悬停在月球上空,着陆器挪来挪去地移动,拍摄月面地形地貌并寻找安全的着陆位置,地面不进行任何决策干预。着陆器的底部安装了工程照相机,负责拍摄月面的地形地貌,着陆器的智能计算机立即对照片进行分析、计算、判断并决策,是否能够实现安全着陆。工程相机在整个着陆过程中一共拍了3764张照片,智能计算机立即选择并决策安全着陆位置,最终“嫦娥三号”在智能计算机选定的着陆位置实施月面软着陆。着陆器的四条腿平稳地着陆在一个平面上,然后月球车从着陆器上平稳地驶向月面,月球车开始巡视探测,着陆器进行就位探测。我们当时担心着陆器无论哪一条腿砸到月表的小撞击坑里,都会造成前功尽弃的后果。事后我们在着陆点的附近16平方千米的区域精细制图,发现有1万多个密密麻麻分布的大大小小的撞击坑,“嫦娥三号”的四条腿能够都落在平地上实在是太妙了。

到深空去

三联生活周刊:2019年年初,“嫦娥四号”着陆在月球的背面,我们为什么会这样设计呢?为何没有像其他国家一样选择落在正面?

欧阳自远:第一,宇宙空间有来自各类天体发射的很多信息,特别是长波低频辐射,地球上接收不到。很多宇宙空间的重要信息,我们人类一点儿都不知道。这是因为地球的电离层的干扰,不但干扰了我们整个的地球,把月球的正面也干扰了,所以科学家希望能够在背面接收到这部分信号,这是唯一的一个地方,所以我们一定要到月球背面去。

第二,月球的正面,“阿波罗载人登月”采了6次样,苏联无人机器采了3次样。月球正面的研究信息告诉我们,有关月球40亿年以来的历史演化进程都可以找到岩石的记录。就像考古一样,有墓葬、有记录,这是月球正面可以获取到的证据。但是大于40亿年到45亿年以来月球最古老的历史,在月球正面很难获得事实证据。40亿年前,月球背面遭受到一次巨大的小天体的撞击,撞出一个直径达到2480公里的艾肯盆地,这使得40亿年前月球最古老的岩石裸露出来,通过一系列科学探测,获得月球最古老的地质演化历史,才能进一步搞清楚月球自诞生以来完整的演化历史,只有到月球背面的艾肯盆地里才能找到月球最古老的岩石记录。

另外,人类至今不知道月球背面的空间环境和月球背面的表面环境特征。我们在着陆器和月球车上分别安装了相关的探测仪器,期望对上述三个科学目标取得一系列新的科学证据,拓展人类对月球的全面理解,获得大量月球古老历史演化进程的科学证据以及宇宙、银河系和太阳系低频电磁波的科学信息。

这个计划最大的技术难题是月球背面处于人类的视觉和通信盲点,在地球上看不到,也不能通讯,所以我们本来计划要先发射一个卫星绕月球飞行。卫星飞到月球背面给月球车和着陆器下达指令,同时把它们的数据收集起来,等飞到正面的时候跟地球取得联系、报告情况,转到背面再去指挥。这种方法的技术难度和变数非常大,后来我们用另一个更加方便稳妥的方案替代了它。地-月拉格朗日2点(L2点)刚好处于正对月球的背面,距月球6.8万公里,在L2点上既可以看到地球又能看到月球背面。通过建立空间中转站,我们可以把人造卫星留在L2点,使地球和月球背面能够取得联系,构成地球与月球背面畅通的链路,从而有效地指挥月球背面的着陆器和月球车展开工作,同时也能够将月球背面所取得的科学探测数据传回地球。

三联生活周刊:按照计划,“嫦娥五号”将于今年年底发射,完成月球物质采样,并将样品带回来,难点在哪里?

欧阳自远:“嫦娥五号”要首次实现地外天体自动采样返回,这是困难的。我们将要把那里的样品取下来,怎么着陆,电铲样品、打钻取样,最后搁到返回舱,这都有研究和准备。离开月面,“嫦娥五号”飞不回来,因为没有那么多燃料,所以我们用一条飞船在月面绕着月球飞,等待携带样品的返回舱上来,然后双方要交汇、对接,由那条飞船带着样品返回舱返回地球。

这里面临的另一个问题,可能是飞船返回速度太快了,一扎进地球的大气层,高温、高压,会把返回舱全部烧掉,这怎么办呢?我们想了个法子,科研人员指挥它跳出大气层,再降下去,就像小孩用石头在水里头打一个水漂,砸进去冒上来,再掉下来,这样速度就变慢了。我们已经做过实验,没有问题。到时,科研人员会得到很多样品,计划采集2公斤到3公斤的样品,供全国的科学家来进行研究。

三联生活周刊:“嫦娥五号”发射成功以后,意味着无人月球探测任务的完成,那么我们下一步的探测目标是什么?

欧阳自远:黄玉清_今日消息我们还将发射“嫦娥六号”到达月球背面采样返回地球。“嫦娥一号”和“嫦娥二号”的成功实施表明中国有能力到达月球,“嫦娥三号”和“嫦娥四号”的成功表明中国可以安全着陆月球正面与背面,“嫦娥五号”和“嫦娥六号”的采样返回,表明中国有能力从月球安全返回地球。

中国将在月球建设月球科学研究和技术试验基地,开发和利用月球资源、能源和环境,开展科学观测与实验,研制相关的产品等。中国正在积极筹备载人月球探测,攻克关键技术难题,早日实现载人月球探测。

在此基础上中国将飞得更远,要探测太阳系,2020年中国将首次探测火星,实施“绕”“落”“巡”联合探测火星,还要去火星采样返回地球;中国将探测小行星带的小行星与彗星;近地小行星探测,规避小天体撞击地球诱发地球生态环境崩溃和生物灭绝事件;我们还将探测木星系统和行星际穿越探测。

中国为什么要探测太阳系?第一,太阳系如此庞大,人类的好奇心一直在追问,难道在太阳系的其他天体上真的没有生命吗?现在没有生命活动,但是在历史上是不是有过生命的繁衍与活动?第二,到现在为止,太阳、太阳系各层次天体的起源和演化,需要紧密结合探测成果进一步深化研究。第三,对地球和人类来说,目前能够造成潜在威胁的自然因素如小天体撞击地球、太阳强烈爆发、全球剧烈的地震与火山活动等;人为活动的因素如全球大规模核战争爆发、人类错误的行为得不到改正致使地球变成不宜居的星球等,我们要研究如何规避这些灾难,这些都需要我们在进一步的探测中寻找答案。第四,太阳系天体的资源、能源、环境的发现、开发和利用,对支持人类社会的可持续发展具有重大意义。第五,科学家期望能不能改造太阳系的一个天体,使它成为人类宜居的第二个地球。月球无法改造,现在已知最适合改造的对象是火星,人类通过几个世纪的卓越努力,将这颗贫瘠的行星改造成一个拥有蔚蓝色天空、绿色平原、蓝色湖泊和生态环境友好的新世界,成为人类的“第二家园”,地球—火星将成为人类社会持续发展的姐妹共同体。

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