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核心提示:如今距离阿波罗11号探测任务首次实现载人登月已整整五十周年……

▲中国探月历程,视频由CCTV科教频道《飞向月球》节目制作组提供

上世纪六七十年代的阿波罗登月计划,是人类最伟大的探索之一。如今距离阿波罗11号探测任务首次实现载人登月已整整五十周年。50年间,探索月球的脚步从未停下,这其中,中国也发挥着十分重要的作用。

今日凌晨,国际顶级学术期刊《科学》(Science)在线发布了题为 China’s present and future lunar exploration program的文章,论文作者中国科学院国家天文台李春来研究员等面向中国探月工程的现状和未来,着重阐述了已实施四次月球探测任务所取得的成就、规划中四次探测任务的技术和科学目标,以及嫦娥任务之外的长期目标和规划,阐明了中国在坚持关键技术和科学问题自主创新的前提下,开创协同国际社会携手共同探索月球的国际化合作路线的战略决策。本文对该论文的具体内容进行了翻译及深度解译。

▲论文截图 Li et al., Science 365, 238–239 (2019) 19 July 2019

从嫦娥一号到嫦娥四号,加上嫦娥五号再入返回试验任务,我国的“嫦娥”工程五战五捷,其中今年1月3日发射的嫦娥四号探测器更是成功着陆月球背面南极-艾特肯盆地冯·卡门坑内。如同50年前美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗踏上月球,实现了“个人一小步,人类一大步”的伟大壮举,嫦娥四号着陆器和巡视器“玉兔2号”也在月球背面留下了人类首次到访的足迹,开启了人类月球探测的新篇章。

▲“嫦娥四号”着陆器及“玉兔二号”月球车

嫦娥探月硕果累累

嫦娥四号是中国月球探测计划“嫦娥工程”中的一项任务。2003年,中国制定了“绕、落、回”三期月球探测任务,命名为“嫦娥工程”,即2004年~2020年期间通过环月探测对月球进行全球性、综合性和整体性的认识;通过着陆器和月球车在月面软着陆,开展“巡天、观地与测月”工作;通过月面软着陆器进行钻孔岩心取样和铲取月壤样品并返回地球,对月球重点区域进行精细勘察。

各次任务科学目标不断递进,工程技术能力前后衔接。鉴于中国在该领域尚处在起步阶段,这个时期月球探测的总体目标被定位为具备月球探测技术能力,主要以空间技术为主,兼顾月球科学,通过工程实施奠定技术基础,实现科学探测。

▲探月工程嫦娥四号任务着陆器外观设计构型

经过嫦娥一号、二号、三号和四号任务的成功执行,中国在轨道设计、飞行控制、高精度测控、月面软着陆和巡视探测等众多空间技术上取得了长足的进步和发展,为后续实施技术难度更大、复杂度更高的月球探测任务奠定了坚实的基础。

与此同时,已开展的月球探测任务在科学成果上也取得了丰硕的成果。通过嫦娥一号和嫦娥二号的环月探测,获取了包括7米分辨率的全月球影像数据和地形高程数据在内的极具特色的月球探测数据,开创了“月球微波辐射”的研究先河,发现月球日夜交界面质子的加速现象,发现和证实了月表微磁层的存在及其分布,并实现了世界首次对图塔蒂斯小行星的探测。

▲嫦娥一号及嫦娥二号部分代表性成果,图片由地面应用系统制作提供

利用嫦娥三号着陆区探测数据,发现一种新类型的月球玄武岩,探测了着陆区浅层结构特性,在月面观测了紫外波段某些恒星的亮度变化和地球等离子体层的变化。

▲嫦娥三号部分代表性成果,图片由地面应用系统制作提供

嫦娥四号着陆于冯·卡门撞击坑底部的溅射堆积物上,第一次获得了月球背面的就位实测数据,发现了可能来自月幔的月球深部物质,再现了撞击坑次表层的地质结构和撞击溅射物的厚度。此外,月球背面独特的电磁环境是开展低频射电天文观测与研究的绝佳地点,嫦娥四号将可能获得太阳活动产生的0.1~40MHz频率范围的低频射电,以及地外行星磁层等探测的新发现。

▲嫦娥四号部分代表性成果,图片由地面应用系统制作提供

2019年年底,中国将实施嫦娥五号任务,在风暴洋北部,吕姆克穹隆附近的预选着陆区实现采样返回,很有可能获取的火山作用相关岩石或者年轻的月海玄武岩,将对月球地层定年、火山活动及热力学演化等科学问题开展研究。中国月球探测获取的科学成果为人类进一步深化人类对月球重要科学问题的认知做出了贡献,也推进了国际月球与行星科学的发展。

▲由地面应用系统制作提供

月球探测相关的科学问题

月球,作为地球唯一的天然卫星,一直以来都是人类所关注的重点。尽管人类已开展了100多次月球探测任务,21世纪以来欧空局Smart-1,日本Selene,印度Chandrayaan-1,美国LRO、Grail、LADEE,以及中国的嫦娥一号至嫦娥四号先后开展了多次月球探测,并取得了很多新的发现和科学成果,但关于月球的谜团仍是有增无减,作为人类最关注的自然科学基本问题之一的“月球起源与演化”至今依然在吸引着科学家去探寻。

▲欧阳自远院士:21世纪是人类征服太阳系为地球的可持续发展服务的新时代。跳出地球看地球,比较地球与太阳系各类天体的共性与特征,在更大的时空尺度整体性认识地球,将会更深刻地揭示地球的形成与演化规律。

2005年,中国探月工程首任首席科学家欧阳自远研究提出了月球科学的14个关键问题:

(1)月球大气层的成分及其来源、大气组分的运动规律及其演化过程;

(2)月球的电离层;

(3)月球地形地貌的类型与成因;

(4)地月空间环境与月表环境;

(5)月壤的物质来源、分布特征与形成过程;

(6)月球的主要岩石类型与分布;

(7)月球的水冰之谜;

(8)月球的大地构造区划;

(9)月球内部圈层结构与形成过程;

(10)月球内部物质分布的不均一性;

(11)月球全球性内禀偶极磁场的演化;

(12)月球内部能源与月球物质的演化;

(13)月球演化的重大事件;

(14)月球与地月系的起源。

这些科学问题也成为了中国设计月球探测发展战略与规划的蓝图,为中国月球探测的科学目标与载荷配置提供了指向。2018年,美国月球和行星研究所(LPI)月球探索分析组发布《推进月球科学》报告,更新完善了月球探索的11个核心科学概念,以及针对这11个科学概念的研究建议。

▲2018年美国月球和行星研究所发布《推进月球科学》报告

在中国探索月球的过程中,还有一个关于1克阿波罗月球岩石的故事。1969年阿波罗11号携带航天员成功登月并返回地球,带回了21.55千克的月球样本。接下来的三年内,NASA又相继实施了阿波罗12~17号载人登月任务,其中除13号失败,其他任务均获得成功,将5批12名宇航员送上月球,总共带回了381.7千克的月球岩石标本。

1978年,当时的美国总统卡特派国家安全事务顾问布热津斯基访问中国,将阿波罗任务采到的1克月岩样品作为礼物送给了中国。这块石头被转交到欧阳自远的手上,他组织全国力量,发挥各自优势,全面系统研究月岩样品。欧阳自远利用国内已有的各类分析测试仪器对其中的0.5克样品进行了全面分析研究,发表了14篇有分量的论文,证明是“阿波罗17”采回来的样品。美国同行评价:中国陨石研究已经达到世界水平。剩下的0.5克月球岩石,目前存放在北京天文馆向公众展示。

▲1978年在中科院地球化学研究所实验室内,欧阳自远砸开嵌在有机玻璃内的阿波罗-17岩石样品,嵌在有机玻璃中的月岩看起来有大拇指大,砸开后只有一粒黄豆大小,才重一克。

1993年,欧阳自远院士带领科研团队分别开展了国家“863计划”——“中国开展月球探测的必要性与可行性研究”“中国开展月球探测的发展战略与长远规划”和“中国首次月球探测的科学目标、技术总要求和实施方案”的论证,研究报告中提出中国的无人月球探测划分为三期实施,即“绕月探测”“落月探测”和“取样返回”。中国科学院、863专家委员会分别组织了各领域相关专家评审,得到了各个专家委员会的赞同和强烈支持。

2000年11月,中国政府发表了《中国的航天》白皮书,明确提出开展以月球探测为主的深空探测研究。2003年,国防科工委预启动了中国首次月球探测工程,任命了栾恩杰院士为中国月球探测工程总指挥、孙家栋院士为总设计师和欧阳自远院士为科学应用首席科学家。2004年,国务院批准绕月探测工程立项,中国正式开展月球探测工程,并正式将工程命名为“嫦娥工程”。由此,中国正式登上了人类探测月球的历史舞台,拉开了开创航天强国的序幕。

▲2004年中国月球探测工程总指挥栾恩杰院士(中)总设计师孙家栋院士(右)首席科学家欧阳自远院士(左)讨论工作

建立月球基地不是梦

继嫦娥工程“绕、落、回”三期任务的启动与实施之后,2015年中国提出了2030年前将开展“勘、建、用”的后续任务规划。“勘”,勘察月球环境和资源;“建”,建立长期基础科研平台;“用”,开采可利用资源技术验证。

总体科学目标将包括:

(1)探测水和挥发性组分的全月面分布、含量及来源;

(2)探测月球深部物质组成与结构;

(3)测定月球南极-艾特肯盆地的年龄;

(4)探测月球南极空间物理环境。

应用目标包括:

(1)月球资源(水、氦等)就位利用试验;

(2)月基对地观测与研究;

(3)月面生态系统科学试验等等。

目前,基于总体科学目标,初步规划了2030年前在月球南极地区开展嫦娥六号月球样品自动采样返回,嫦娥七号月球极区环境与资源综合勘查、嫦娥八号验证月面“3D打印”房子等关键技术等三次任务,建成具备科学探测、科研试验和资源利用技术验证的综合功能月球机器人科研站,完成月球资源开采和利用、生物再生生命保障等技术验证,从空间技术发展为主逐渐过渡到空间科学和空间应用并重。

为完成这些任务,需要攻克月面高精度定点着陆、阴影坑飞跃探测、适应极区恶劣环境的智能机器人、大承载着陆、智能机器人协同操作、月球科研站指挥中枢综合控制、稀有气体分离提取等月球科研站关键技术,建成月球科研站基本型,具备全月面到达、长时段工作、高智能操作能力。开展有应用前景的资源开发与利用技术验证,提升月球科学与资源应用能力,为未来月球科研站建设与运营,以及载人探月奠定基础。

▲图片由地面应用系统提供

2030年后,中国后续月球探测将继续朝着机器人探测和载人探测两个方向发展。出于技术跨度、 火箭选型、 经济可承受性、效费比等方面因素考虑,机器人探测将成为后续月球探测任务的首要发展方向,通过深化月球科学探测并验证资源开发与利用、生物再生生命保障等技术,最终实现机器人长期驻留工作、 短期可容纳宇航员造访的月球基地。

在未来条件成熟时,将向载人探测方向的发展, 实现载人登月, 最终实现可容纳人类宇航员长期驻留的月球基地。

▲月球基地想象图

国际社会携手同探月

中国在坚持关键技术和科学问题自主创新的前提下,一直在协同国际社会携手共同探索月球,国际化合作是中国月球与深空探测发展战略的一个重要趋势。在嫦娥四号任务中,中国向国际社会开放载荷资源并提供搭载平台,通过征集在着陆器、巡视器和中继星上分别搭载了由德国、瑞典和荷兰研制的月表中子与辐射剂量探测仪,中性原子分析仪和低频射电探测仪,并与这些国家在科学载荷研制、科学探测规划、探测数据研究以及成果共享等方面展开了深入合作,共同完成国际首次月球背面软着陆探测任务。

▲2019年4月18日,中国向德国、瑞典和荷兰交接嫦娥四号国际载荷科学数据

2019年3月,中国国家航天局与俄罗斯国家航天集团公司达成协议,将协同实施中国2023年月球极区探测任务(嫦娥七号任务)和俄罗斯Luna-26任务,开展着陆区详查、中继通信、科学载荷和空间试验等四方面的深度合作。

▲探月工程中心裴照宇副主任(中)与五院总体部张熇技术总监(右)作为中方代表参加中俄空间探索圆桌会议

▲探月工程中心裴照宇副主任与俄罗斯国家航天集团自动化宇航设备司处长沃伦签订合作协议

2019年4月18日,中国国家航天局公布了嫦娥六号及小行星探测的合作机遇公告,向全球张开双臂,欢迎更多国家参与中国的月球与深空探测工程。

▲2019年4月18日,中国国家航天局召开嫦娥四号国际载荷科学数据交接暨月球与深空探测合作机遇公告发布仪式

2019年4月24,由中国国家航天局与联合国外空司共同举办的“联合国/中国 航天助力可持续发展大会”在湖南长沙开幕。会议期间,中国国家航天局与联合国外空司签署了《关于在中国月球和深空探测中开展合作的协定》;与土耳其空间技术研究院、埃塞俄比亚科技部签署了航天合作协议;与巴基斯坦航天局更新签署了合作大纲。

▲联合国与中国航天助力可持续发展大会期间,中国国家航天局与联合国外空司签署合作协议

此外,中国对于未来月球与深空探测任务的资金来源也做出了方向上的调整,除国家专项经费之外,还广泛鼓励私营企业的参与。广泛的国际合作、多样的资金来源将为中国持续性地推进月球与深空探测的规划与发展注入活力。遗憾的是,美国沃尔夫修正案条款禁止未经国会批准美国国家航天局(NASA)与中国机构进行双边合作。但是中国对与NASA的合作持开放态度,中方表示双方(CNSA和NASA)可以开始实质性的合作,如交换科学数据和空间态势感知信息等, 也可以共同合作为保护未来太空环境做出贡献。

▲2018年10月1日,中国国家航空航天局局长张克俭在德国不莱梅举行的国际宇航大会上会见了美国国家航空航天局局长布里登斯汀。图片来自网络

探月影响深远

阿波罗计划是世界航天史上具有划时代意义的一项成就,计划的制定虽源于美苏争霸的政治因素,但它的意义却远超政治之外,在经济、科技、文化、社会等多方面都产生了重大及深远的影响,极大地推动了社会发展。而我国通过探月工程的实施,极大地带动了材料、发动机、GNC导航等基础技术的发展与创新,在推动我国空间科学进步的同时培养了一大批优秀的航天人才,并扩大了中国航天影响力增强了名族自信心。

▲美国著名的太空城——得克萨斯休斯敦

阿波罗登月的成功体现了人类的探险与开拓精神,显示了人类的巨大创造力和能动性。“把人类送上月球不仅激励了美国,也同样激励了全世界。”NASA首席历史学家斯蒂文?迪克说:“上世纪60年代是一个充满动荡的时代,但在那样的环境下,登月成功证明了人类的潜能。”而和平开发利用太空是各国及人类共同的愿望。

▲从左至右分别为:阿波罗11号的任务徽章,由指令舱驾驶员迈克尔·柯林斯设计,选择鹰作为徽记,鹰爪下为橄榄枝,表示“美国进行的以和平为目的的登月”。为配合任务徽章,阿波罗11号的指令舱也被命名为鹰号。

中国月球探测工程标识,以中国书法的笔触抽象地勾勒出一轮明月,一双脚印踏在其上,象征着月球探测的终极梦想,圆弧的起笔处自然形成龙头,象征着中国航天如巨龙腾空而起,落笔的飞白由一群和平鸽构成,表达了中国和平利用空间的美好愿望。

奥尔德林站在登月舱附近月面,其头盔反照出阿姆斯特朗拍照的身影。

2019年是人类登月50周年,如同阿波罗计划为推动人类社会发展所产生的积极作用一样,中国也将在后续稳步推进的月球与深空探测计划中,同世界各国一道,共同构建人类命运共同体,推动人类科学事业发展,让航天探索和航天科技成果为创造人类更加美好的未来贡献力量。

编辑:顾军

责任编辑:许琦敏

来源:中国科学院国家天文台

关键词:科技

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