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重返月球与中国探月

时间:2006-01-09 00:00来源:《科学与无神论》杂志 作者:欧阳自远 点击:
自古以来,人类一直向往探索太空和宇宙的奥秘。但在科学技术还不够发达的古代,这一愿望很难实现。除天文观测外,人类真正的航天活动是从二十世纪五十年代才开始的。 一、人类的航天活动大致分为三个方面 卫星应用现在人类共发射了五千多个航天器,如气象卫
       自古以来,人类一直向往探索太空和宇宙的奥秘。但在科学技术还不够发达的古代,这一愿望很难实现。除天文观测外,人类真正的航天活动是从二十世纪五十年代才开始的。
    一、人类的航天活动大致分为三个方面
    卫星应用现在人类共发射了五千多个航天器,如气象卫星、通讯卫星、资源卫星等等,在资源勘察、气象和灾害预报、全球通讯广播电视、导航定位等领域已得到广泛应用。
    载人航天现在共有950多人次已经进入过太空,2003年杨利伟成为中国第一位进入太空的宇航员,今年“神六”发射成功、凯旋归还,聂海胜、费俊龙成为中国在太空进行科学实验的宇航员,这是我国航天事业取得的重大胜利。我国已经成为独立自主地发射载人航天器进入太空的第三个国家,下一步的目标是建立空间站或空间实验室。美国、俄罗斯、日本等16个国家将联合起来,到2010年建成国际空间站,进行生命科学、空间科学、航天医学、微重力加工、商业产品开发等一系列的基础科学和应用开发研究。
    深空探测深空探测是在卫星应用和载人航天的基础上,发射探测器,脱离以地球为主的引力场,进入太阳系空间和宇宙空间的探测。主要是:月球探测、火星探测、巨行星及其卫星的探测、小行星与彗星的探测、水星与金星探测、空间环境与太阳活动的空间天气学探测。二十一世纪将是人类全面探测太阳系的新世纪,并为人类社会可持续发展服务的新时代。
    二、月球探测的历程与探测成果
    早在远古时期,人们就对月球寄予了真情期望的遐想和充满诗意的赞美。当一轮皎洁如玉的明月挂在夜空,人们只能靠肉眼观测月球并寄托自己的想象。直到十六世纪望远镜发明以后,人类才能够用望远镜观察月球,但观测的空间分辨率大于10公里,人们发现月球上有高山和广阔的平原并布满了环形山。
    真正对月球的了解是在二十世纪五十年代以后,月球探测进入空间探测阶段。月球是离地球最近的天体,亮度也仅次于太阳,历来是人类天文活动的首选目标,自然也是人类走出地球摇篮,迈向浩瀚宇宙的第一步。1959年至1972年,美国和前苏联成功发射了52枚对月球的各种探测器。前苏联的“月球号”拍摄了月球背面的照片,把月球的整个面貌展现在人们面前。1969年,阿波罗11号实现了人类的梦想,人类的足迹第一次踏上了月球,人们才了解到月球的真实面貌。
    第一次探月高潮(1959年~1976年)在冷战背景下,美国和前苏联展开了以月球探测为中心的空间霸权竞赛,掀起了第一次月球探测高潮。自1958年至1976年,美国和前苏联共发射108枚月球探测器,成功52个,成功率为48%。1969年7月美国阿波罗11号飞船实现了人类首次登月,相继阿波罗-12、14、15、16、17和前苏联的月球号-16、20和24进行了载人和不载人登月取样,共获得了382公斤的月球样品和难以计数的科学数据。
    通过月球探测,有力地带动和促进了一系列科学技术的快速发展,据不完全统计,从阿波罗计划派生出了大约3000多种应用技术“成果”,带动了上世纪60~70年代高新技术的全面发展。在登月后的短短几年内,这些应用技术就取得了巨大的效益———在登月计划中每投入1美元就可获得4~5美元的产出。
    第一次探月高潮取得的成果人类通过对月球的探测,不仅大大促进了科学的创新和技术的突破与进步,而且获得了极其丰富的月球科学数据:精确测定了月球的形状、大小和运行轨道。月球是一个南北极稍扁、赤道处略有膨胀的圆球体,极半径比赤道半径短约500米。月球的平均直径为3476km,相当于地球直径的27%;质量为7.351022千克,约为地球的1/81;体积只有地球的1/49。月球的表面积约为3800万平方公里,只有地球表面积的1/14,大约相当于中国陆地面积的4倍。
    月球表面基本上没有大气,表面气压仅为10-14大气压量级;月球现在没有明显的全球性偶极磁场存在,但月球的岩石有极微弱的剩磁。月球表面的主要地形单元为月海盆地、月陆和撞击坑。
    月球表面由岩石碎屑和尘埃组成的风化层(月壤)所覆盖,它是在月球地质历史时期由无数小天体撞击月表使岩石粉碎、以及月球的昼夜温差使岩石破裂、太阳辐射和宇宙射线的共同作用下形成的。月球表面没有水体,月球的地质演化历史中也没有水的参与。月球的永久阴影区可能存在水冰。月球上没有生命,没有活动的有机体或有机体固有的有机化合物。
    月球在46亿年前形成,和地球是近于同龄。月球的内部能量已于31亿年以前接近释放殆尽。    总之,现在的月球是一个古老的、“僵死”的星体。月球的内部能量已近于衰竭,月震和表面热流均极小。月球的“地质时钟”停滞在31亿年之前,这对研究地球早期演化历史具有重要意义。火星是一个老态龙钟接近死亡的天体,而地球仍然是生机勃勃的、壮年期的天体。
    类地行星与月球的演化与质量有关,质量越大,内部储存的能量及产生的能量也就越多,所以行星内部的活动(构造活动、岩浆与火山活动、地震活动、热流活动等)越剧烈,所以维持行星活动的生命周期更长。这跟恒星相反,恒星是质量越大越不稳定,生命周期越短。
    三、月球表面特殊空间环境的利用 
   月球几乎没有大气层,属于超高真空状态,因而月球表面不会有大气的吸收、反射与散射等干扰;由于没有大气的热传导,月球表面昼夜温差极大;月球没有全球性的偶极磁场;月球的内部能量已近于衰竭,内部的地温梯度也很小,月震释放的能量仅相当于地震的一亿分之一,地质构造极其稳定;自距今31亿年以来,月球没有发生过显著的火山活动和构造运动,因此,月球的“地质时钟”停滞在31亿年之前,至今仍保留了其早期形成时的历史状况;月球表面还具有高洁净、弱重力的特征。
    上述所有这些特征,是在地球上无法达到的。因此,在月球表面建立月基天文观测站和研究基地,技术要求比哈勃太空望远镜可能更低。月球上的天文观测站是月球基地的重要组成部分,它不仅可以对太阳系、银河系天体和星际空间进行观测研究,而且是进行太阳物理学、天体物理学、行星学、星震学、空间材料科学、空间环境科学、空间天气学等的观测和实验最有吸引力的场所。在月面建立月基对地监测站,可以对地面的气候变化、生态演化、环境污染和各种自然灾害进行高精度的观察和监视,为人类的可持续发展做出贡献。
    四、我国月球探测的发展战略与科学目标
    1.发展规划设想
    我国开展月球探测工程应紧密结合我国国情和月球探测工程的特点;应服从和服务于科教兴国战略和可持续发展战略,以满足科学、技术、政治、经济和社会发展的综合需求为目的,把推进科学技术进步的需求放在首位,力求发挥更大的作用;要坚决贯彻“有所为有所不为”的方针,有限目标,突出重点,集中力量,在关键领域取得突破;探索更加经济、更加高效的月球探测工程发展道路;采取短期目标与长远目标相结合,单一任务与综合性计划相结合,循序渐进与分阶段发展相结合,各阶段互相有机衔接的发展策略,以实现持续、协调的发展。
    综合分析国际上月球探测已取得的成果,以及世界各国“重返月球”的战略目标和实施计划,考虑到我国科学技术水平、综合国力和国家整体发展战略,我国的月球探测可分为“探月”、“登月、“驻月”(即建立月球基地并长期居留)三个阶段。近期我国的月球探测应以不载人月球探测(即“探月”阶段)为宗旨,可分为三期工程:
    一期工程:环月探测,即对月球进行全球性、整体性与综合性探测。
    二期工程:月面软着陆器探测与月球车月面巡视勘察,发射月球软着陆器,试验月球软着陆和月球车技术,就位与巡视勘测着陆区区域的地形地貌、地质构造、岩石成分与分布,就位探测月壤层和月壳的厚度与结构,记录小天体撞击和月震,开展月基极紫外、低频射电和光学天文观测。
    三期工程:月面软着陆探测与自动采样返回地球。
    2.我国月球探测卫星-“嫦娥一号”的工程目标与科学目标 
   通过嫦娥一期工程实现的工程目标有:
    (1)突破月球探测的关键技术。主要包括研究地-月飞行技术,验证航天器飞出地球并进入其它天体引力场的轨道设计与GNC系统技术;实施远距离测控和通信,为深空测控与通信打下技术基础;研究月球飞行的热环境条件,验证航天器的热设计,探索深空探测器的热控解决途径等:
    (2)初步建立我国的月球探测工程大系统。包括运载火箭、卫星、发射场、地面测控系统和地面应用系统,根据月球探测的特点进行相应的整合与适应性修改,初步建立适应未来发展的工程大系统; 
    (3)验证各项关键技术,获取月球探测的工程实践经验,为未来探测积累技术基础;
    (4)初步建立我国月球探测技术研制体系,培养相应的人才队伍,推动月球探测活动的进一步开展。
    通过嫦娥一期工程实现的科学目标有: 
    第一,获取月球表面三维立体影像,划分月球的地貌单元、地质构造区划、撞击坑与月球演化历程;
    第二,探测月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点,主要是探测月球表面有开发利用价值的钛、铁等14种元素的含量和分布,研究月球表面的矿物组成、岩石类型与月球化学演化;
    第三,探测全月球表面的微波辐射特征与月壤厚度,从而得到月球表面年龄并估算氦-3的资源量等;
    第四,探测4~40万公里的地月空间环境,太阳高能粒子与低能离子的成分、通量与能谱。
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