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月球之谜与探月计划
2009-07-23 | 浏览次数:|【
 

|关于月球|人类探月的努力|探月的真正动力|新一轮探月高潮|中国的探月计划|高能所承担项目|

关于月球

多少年来,每当晴朗之日的夜幕降临,一轮明月或弯月悬挂在空中,它是那样宁静,那样神秘。月亮是从哪里来的?月亮上有什么?人们总想揭开这个谜。在没发明望远镜之前,人类只能用肉眼观看月球,产生了很多幻想。古中国人编出了嫦娥奔月的美丽神话,而古希腊人则认为月球里有一位美丽的狩猎女神阿尔忒弥斯。古往今来,人类为了探索月亮的秘密付出了巨大的努力!

伽里略的望遠鏡月球是离地球最近一个天体。意大利天文学家伽利略最早用望远镜观察月球,他发现月球上有群山,有密如麻点般的坑洞--环形山。随着科学的发展,人类逐渐对月球有了更多的了解。(左图为伽里略自制的折射望远鏡)

月球是地球唯一的一个卫星,距地球约38.44万公里,半径约1740公里,是地球半径的1/4左右,月球的质量约等于地球质量的1/81,体积只相当于地球体积的1/49,表面积约为地球的1/14。同一个物体在月球所受的引力只有地球上的1/6。月球表面的温度最高约127摄氏度,最低约-183摄氏度。 

月球环绕地球作椭圆运动,并伴随地球绕太阳公转。它自转和公转都是自西向东,转动一周的时间都是27天7小时43分,月球的一天相当于地球的一个月,月球总以它的同一半球面对着地球。

由于月球的引力小,大气密度约为地球海平面的1万亿之一,空气极为稀薄。正因为没有大气层的阻力,空中飞来的大小陨石毫无阻拦地与月球相撞,使月球伤痕累累,布满了环形山(右图)。没有空气传送声波,月球上万籁俱寂。月球本身并不发光,没有空气的散射,太阳光比在地球上看到的要明亮一百倍,但天空却永远一片漆黑。正因为没有空气,月球上没有蓝天白云,没有晴阴天之分。月球表面昼夜温差很大。

环形山是碗状凹坑结构,月球上直径大于1公里的环形山有3万3千多个,占月面表面积的7-10%,最大的是南极附近的贝利环行山,直径295公里。月球上还有洋、海、湾、湖等各种名称,其实月球表面并没有水。月球上有22个月海,其实是广阔的平原。最大的是风暴洋,面积约500万平方公里。

人类探月的努力

美国1958年8月18日发射的月球探测器由于第一级火箭升空时爆炸,半途夭折了。随后又相继发射的先锋号(Pioneer)探测器,均未成功。1959年3月3日,先锋4号探测器(外形为高51公分,底部直径为23公分的圆锥形)(右图)成功地从距月面59000公里处飞掠进入绕日轨道,成为美国第一个脱离地球重力的探测器,但未击中月球。

月球空间探测的第一次高潮

1959年~1976年是月球空间探测的第一次高潮,在这期间,发展了月球硬着陆、软着陆和绕月飞行技术,并于1969年最终实现了人类登上月球的夙愿。六次Apollo载人登月飞船和三次Luna无人登月探测器采集了大量月球岩石、土壤样品,通过对这些月球样品的分析与系统研究,大大丰富与加深了人类对月球的认识。

1959年1月2日,苏联发射了重361.3公斤的月球1号探测器(Luna)(左图),首次成功脱离地球引力。装有当时最先进的通信、探测设备的月球1号1月4日从距月球表面7500千米的地方通过,但未能命中月球。

月球2号探测器(右图)于1959年9月12日发射升空,两天后飞抵月球,在月球表面的澄海硬着陆,成为到达月球的第一位使者,但它科学仪器舱内的无线电通信装置在撞击月球后停止了工作。

月球3号探测器于1959年10月4日飞往月球,3天后环绕到月球背面,拍摄了第一张月球背面的照片。

1966年1月31日发射的月球9号成为世界上率先在月球软着陆的探测器,它飞行79小时之后在月球的风暴洋附近着陆,用摄像机拍摄了月面照片。探测器重1583公斤,在距月面75公里时,重100公斤的着陆舱与探测器本体分离着陆成功。

1970年9月12日发射的月球16号,9月20日在月面丰富海软着陆,第一次使用钻头采集了120克月岩样品带回地球。

1970年11月10日发射的月球17号载着世界上第一辆自动月球车上天。月球车1号(lunokhod 1)(左图)重756公斤,长2.2米,宽1.6米,装有电视摄像机和核能源装置。在月面雨海着陆后进行了10个半月的科学考察,它行程10540米,考察了8千平方米月面地域,拍摄了200幅月球全景照片和2万多张月面照片,直到1971年10月4日核能耗尽才停止工作。

1973年1月8日发射的月球21号,把月球车2号(lunokhod 2)(右图)送上月面,取得了更多成果。

从1958年-1976年,苏联共发射了24个月球号探测器,其中有18个完成了探测月球的任务。最后一个—月球24号探测器于1976年8月9日发射,8月18日在月面危海软着陆,钻采并带回170克月岩样品。至此,前苏联对月球的无人探测宣告完成。

宇宙号(Cosmos)系列及“探测器”(Zond)系列。

美国紧随苏联,先后发射了9个徘徊者号(Ranger)和7个勘测者号(Surveyor)月球探测器。徘徊者探测器样子像蜻蜓,长3米,两翼太阳能电池板展开4.75米。探测仪器装在前部,电视摄像机放在尾部。最初的5个徘徊者探测器(左图)均无建树。勘测者探测器有3只脚,总重达1吨,装有当时最先进的探测设备。

徘徊者6号于1964年1月30日发射,成功地在月面静海地区着陆,但由于电视摄像机出现故障,没有能够拍回照片。

1964年7月28日徘徊者7号发射成功,在月面云海着陆后拍摄到4308张月面特写照片。

1965年2月17日、3月24日发射的徘徊者8号、9号,都在月球上着陆成功,并分别拍回7137张和5814张月面近景照片。

1966年5月30日,美国发射了新型探测器—勘测者1号(右图为勘测者的月球车),经过64小时飞行后在月面风暴洋软着陆,向地面发回11150张月面照片。到1968年1月1日发射的7个勘测者探测器中,有2个失败,5个成功。

在此之后,美国发射了5个月球轨道环行器(Lunar Orbiter)(左图),为阿波罗载人登月选择着陆地点提供探测数据。

为了争夺太空科技的领导地位,美国总统肯尼迪1961年5月25日在议会演讲中说:“美国要在60年代末以前,让人登上月球并安全返回地球。”从此,美国耗资250亿美元的“阿波罗”(Apollo)登月计划开始了。“阿波罗”是希腊神话中掌管诗歌和音乐的太阳神的名字,它与月亮女神阿尔特弥斯是双胞胎。以“阿波罗”作为登月计划的名称,意思是让太阳神飞到月亮女神那儿去相逢。
  “阿波罗”计划的目的是实现载人登月飞行和人对月球的实地考察,并为载人行星飞行和探测进行技术准备。

1969年7月20日,“阿波罗”11号飞船载着3名宇航员,首次登上了月球,实现了人类梦寐以求的理想。(右图为“阿波罗”11号及其登月舱)

1969年7月16日上午(美国东部时间),在肯尼迪宇宙飞行中心发射了“阿波罗”11号飞船。7月20日晚,"阿波罗"11号登月舱的4条着陆支架终于安全落在被称为"静海"的月球上。美国宇航员阿姆斯特朗在月球上踏下人类的第一个足印(左图)。在此后2小时40分中,阿姆斯特朗和奥尔德林展开了太阳能电池阵,安设了月震仪和激光反射器,还采集了月球岩石和土壤的样品,还与美国总统尼克松进行了电视谈话。7月21日上午11时15分,登月舱飞离月面之后与绕月轨道上的飞船会合后安全返回。为纪念人类第一次登月成功,每年的7月20日定为“人类月球日”。

1972年12月6日“阿波罗17”号发射,12月12日登陆月球,开始了人类在月球上首次漫游,宇航员们乘坐月球车(右图)旅行,在月球上钻孔、取土样,采集岩石标本。这些标本重114.8公斤。最为珍贵的是在一座火山口发现了橙黄色发亮的粉尘,证实月球上有火山活动的理论完全正确。12月19日,“阿波罗17”号安全返回地球。

到“阿波罗”17号登上月球为止,17次飞行试验中第1次到第10次飞行专为登上月球作准备(1-3号是试验飞船,4-6号是无人飞船,7号飞船载人绕地球飞行,8-10号载人绕月飞行),11号至17号是载人登月飞行。

上图由左至右分别为阿波罗9号、10号、11号、14号

除“阿波罗”13号飞船因中途发生故障被迫返回地球外,宇航员们6次登月在月球上停留的时间达300个小时,他们从月球上带回大量岩石、土壤样品,为人类研究月球提供了宝贵的资料。“阿波罗”计划是世界航天史上具有划时代意义的一项成就。

月球空间探测的宁静期

1976年~1990年,世界各国均未发射月球探测器,月球空间探测进入宁静期,科学家的工作重点侧重于对第一次探月高潮期所获取的大量数据进行分析、处理和总结,并提升到理论认识的高度。实际上,美国一直没有停止过建立月球基地的准备工作,先后进行过2次“生物圈”密闭生产系统试验计划。

1989年7月20日,在“阿波罗”飞船登月20周年之际,美国总统乔治.布什宣布了美国要重返月球,在月球上驻留并达到对火星的空间探测的构想。苏联、欧洲、日本等都组织力量进行研究,纷纷提出了发展计划。

新一轮月球空间探测高潮的起因

日本以较强的技力实力加快推行月球探测计划,1990年1月,日本率先打破了美苏垄断,发射成功“飞天”号月球探测器,沿地-月轨道飞行,成为第三个发射月球探测器的国家。1993年飞天号撞上月球,结束了工作。

1996年10月日本宣布了建造永久月球基地的计划(左图为日本的月球基地设想图),预计投资260多亿美元,在未来30年内建成月球基地,包括居住、氧气和能源生产厂以及月球天文台等。除发展新型运载技术外,将月球软着陆和自主漫游车技术作为最主要的关键技术开发。

1994年美国发射了“克莱门汀”号(Clementine)无人驾驶飞船(右图),对月球的地形和成分进行了普查性的高精度探测,其目的是为在将来建立月球基地和月基天文台作准备。美国重返月球的长远计划分为三步:第一步,用机器人对月球进行探测;第二步,在航天员重新登上月球;在月球建立适于居住的前哨站,安装科学仪器、月球取氧装置等;第三步,建成一个拥有受控生态环境生命保障系统的月球基地,可从事科学研究,月面建筑和运输、采矿及材料加工。

1995年3月,美国宣布了称为“月球勘探者”(Lunar Prospector)(左图)的月球飞行任务,这项计划耗资0.73亿美元。“月球勘探者”重约1956公斤,将被置于环月低高度(100公里)极轨道。携带的仪器有γ射线光谱仪、α粒子光谱仪、中子光谱仪、电子反射仪和磁强计,任务周期为一年。勘探者将对月球火山口的寒冷区和极区冰的含量进行测定,为今后有人基地的建立获取资料,还将完成月球表面化学成分的测定、月球全球磁场和引力场的测绘。

月球勘探者”于1998年1月6日“成功发射升空,标志着“重返月球”的开始。月球勘探者携带了α射线和中子分光仪,探测月球表层成分;地磁仪和电子反射仪,探测月磁场分布;α粒子分光仪,测定气体释放位置;多普勒S波段跟踪仪提供引力场数据。克莱门汀与月球勘探者均发现在月球极地撞击坑永久阴影区可能存在水冰,大大激发了世界各国对月球探测和开发的兴趣,由此引发了新一轮的月球空间探测高潮。

探月的真正动力

探月一直是人类的理想,这不仅因为月球是地球的天然卫星,更重要的还在于月球宝贵的资源和月球位置的价值。通过观测和“阿波罗”飞船登月带回的土壤、石块分析,月球尘土有一半是有棱有角的玻璃粉,还发现了从不生锈的铁质颗粒。月球上带回来的尘土撒到地球的细菌上居然能使细菌全都死亡。月球中有火山爆发而形成的玄武岩,证明月球早先有过火山活动。分析这些岩石,估计出它的年龄已有46亿岁了。但地球上只有在格陵兰最偏僻的地方才能找到有40亿年寿命的石块。难道月球的年龄比地球的年龄大吗?这些谜团长期困扰着科学界,而探月的真正动力还不止这些,月球资源已被世界所瞩目,有空间技术能力的国家和地区都对月球资源产生了极大的兴趣。

月球的矿产资源极为丰富,不仅拥有地球上最常见的17种元素,而且稀有金属的储藏量比地球还多。月球上的岩石主要有三种类型,第一种是富含铁、钛的月海玄武岩(仅月球表层5厘米厚的沙土就含有上亿吨铁,而整个月球表面平均有10米厚的沙土。);第二种是斜长岩,富含钾、稀土和磷等,主要分布在月球高地;第三种主要是由0.1~1毫米的岩屑颗粒组成的角砾岩。月球岩石中含有地球中全部元素和几十种矿物,其中有6种矿物是地球上没有的。初步估算月岩中的稀土元素资源量可达225-450亿吨,铀的资源量约50亿吨。玄武岩含钛铁矿可达25%(体积),矿石中富含二氧化钛近100万亿吨。

月球土壤中含有丰富的氦3,这是一种比地球上核电站所用的氘原料的放射性要低得多的核材料,是核动力材料的理想资源。利用氘和氦3进行的氦聚变安全无污染,不仅可用于地面核电站,而且特别适合宇宙航行。月球表面的沙粒、岩石中,蕴藏了大量氦3,如果把氦3作为可控核聚变能源燃料,它将是人类社会长期的、稳定的、安全的、清洁的、廉价的燃料资源,氦3 资源将有可能成为解决今后地球人类长期能源发展需求的重要原料。采用氘与氦3核聚变发电,全中国只需10多吨氦3,全世界只需100多吨,就能满足每年的能源需求。据初步估算,月球上有100-500万吨氦3资源量,能够满足地球上万年的能源需求,许多航天大国将获取氦3作为开发月球的重要目标之一。

太阳能资源无穷无尽,月球上没有空气干扰,大量太阳能可直接传过来。每年到达月球范围内的太阳光辐射能量大约为12万亿千瓦,假设使用目前光电转化率为 20%的太阳能发电装置,则每平方米太阳电池每小时可发电2.7千瓦时,若采用1000平方米的电池,则每小时可产生2700千瓦时的电能。

一旦月球获得开发,就能作为人类作为空间观测、宇宙探索的理想基地。在月球上观测其他星球,能更加清晰地观测到更遥远的地方。氧占月球土壤含量的40%,飞向其它行星的载人航天器如能在月球上补给氧,在地面起飞时可少带6/7推进剂。月球引力只有地球引力的1/6,又无空气,人类从月球上发射航天器航天器无须克服空气阻力,可节省大量推进剂。

月球本身、月球上的和基于月球的科学研究问题(起源、演化、行星际…)

人类设想最终能在月球上落户。

新一轮探月高潮

近年来,各国对月球的兴趣大增,纷纷将月球探测作为发展航空航天的重点,美国、欧洲、日本和中国都相继展开探月计划

2005年9月,美国宇航局公布了重返月球的详细计划,在2018年之前将4名宇航员送上月球,从2018年开始每年至少登月两次。宇航员将乘坐高科技月球车勘察月球表面,为至今仍困扰研究人员的一些月球之谜寻找答案。宇航员还要在月球上从事多种科目的科学研究,并努力在月球上寻找可供以后航天飞行利用的资源。宇航局登月计划的最后一步是在月球上建立一个由宇航员生活设施、发电站和通信站等部分组成的月球基地。此后逐步在月球上建立一个宇航员常驻基地,在此基础上最终实现送6名宇航员登陆火星并在火星上常驻500天的计划。

2006年3月,美国太空总署加州摩菲特研究中心展示了最新研制的可载六名宇航员的太空探测器微缩模型,直径五点五米的新型太空探测器底部呈钝型,可降落在水中和沙漠里,能减低返回地面重量增加着陆稳定性,并可为空间站运输加压或常压的货物,同时便于扩展宇航员视野。

2005 年1月,日本宇宙航空研究开发机构公布了未来20 年的太空开发远景规划草案,主要目标是:建设无人月球基地、通过国际合作开展载人航天活动、建设作为小行星探测中转站的深空港。大型绕月探测器“月女神”(SELENE)(右图)将于2007年升空。此后将发射的月球-A(Lunar-A)(左图)探测器在进入月球轨道后向月面投放2-3个用于研究月震及其他亚地表现象的穿透器,据称它们发回的数据和信息的精确度将是“阿波罗”飞船的5倍。再陆续发射“月球先锋”1~3探测器,其中包括将漫游车送上月球。2009-2010年将要进行“月女神”B计划,包括月球车、月球望远镜研制计划以及在月球表面建立科学设备网络。2010-2020年建造月球天文台。

欧洲各国也十分重视月球开发,由于月球探测是投资大、周期长、开拓性强的重大工程,一些国家单靠自己的力量难以独立实施,继而寻求国际合作,期望以一定的投入占有一席之地,并分享研究成果。早在1975年5月,法国、德国、比利时、英国、荷兰、西班牙、意大利、瑞士、瑞典和丹麦就签署了建立欧洲空间局(ESA)的协定,欧洲空间局1994年提出了建立月球基地计划,目前正在进行的关于月球的探测技术研究有两项。

第一项是称为“环月探测器”(Moro)的月球极轨卫星,MORO由1个主卫星和1个在低高度月球极轨道运行的子卫星组成,目的是确定月球表面全球特性和研究月球内部,它们携带了立体成像相机、红外与紫外光谱仪、微波仪、γ射线光谱仪等4种仪器,可获三维高分辨率图像,测量重力场,为研究月球的形成和演化提供数据。

第二项是不载人月球着陆器计划,称为“月球欧洲演示器”(LEDA)。该演示器起飞质量3.3吨,带有漫游车的着陆器,装备有月面巡视车、机械臂、土壤处理试验装置以及用于现场测量的仪器。计划在月球南极区域降落,目的是掌握月面软着陆技术和月面移动能力,考察月球南极地区的地形、地貌,为未来建立月球基地积累数据资料。

2003年9月,欧洲第一个月球探测器—智慧1号(SMART-1)(右图)月球探测器发射升空飞向月球,它全部由低成本、小型化的尖端技术部件构成,造价约1.1亿欧元。探测器的重量仅为367公斤,体积约1立方米,两个太阳能电池板伸展开后长约14米。它是世界上第一个采用太阳能电推进系统的空间探测器,飞向月球的轨迹十分复杂和漫长。2004年11月15日进入绕月轨道,在飞行过程中已经成功实现了空间激光通信联络。SMART-1将绕月球运行,利用SIR分光仪分析月球表面的化学成分,并收集月球上是否存在水的证据,从而为人类是否要在月球上建立永久性基地提供各种数据资料。

2004年2月3日,欧洲空间局宣布了先载人登上月球、再载人飞火星的“曙光女神”(Aurora)计划,目标是2011-2014年发射一个火星探测器,将火星岩石标本带回地球分析;在2020-2025年实现载人登月;在2030-2035年发射载人火星探测器,将欧洲航天员送上火星,寻找生命的迹象。这份计划比美国庞大的“空间探索新计划”更为细致。

2003 年11月,印度空间研究组织宣布,将于2008年发射 “ 月球飞船 ”1号(Chandrayaan I)探测器(右图)。该探测器重 525公斤,它将进入月球轨道,拍摄可见光、近红外及 X 射线月球图像。印度计划于2015 年前向月球发送航天员。印度的登月计划将与俄罗斯合作。

俄罗斯前些年由于经济条件制约,没有明确的探月计划,只提出了利用联盟号载人飞船开发月球旅游的计划。游客搭乘联盟号飞船升空后先前往国际空间站;在站内停留一周之后再乘坐联盟号飞船前往月球,但不在月球表面着陆,而是只对月球进行近距离参观,大约一周后返回。月球旅游需支付1亿美元。2006年4月,俄罗斯公布了一项宏伟的计划,2015年前实现登月,希望于2020年在月球建立一个永久的基地,包括一个核电厂机器设备,开发月球上的氦3作为能源以满足地球的能源需要,在2020-2030年实现向火星发射载人航天器。

中国于2004年2月25日宣布正式实施绕月探测工程,并命名为“嫦娥工程”。嫦娥1号月球探测器采用三轴稳定方式对月定向工作。计划在2007年发射,运行在距月面200千米高的极月圆轨道上。

纵观世界各国21世纪月球探测计划,表明人类有信心以新的姿态踏上月球,与初期月球探测相比,目标更明确,规模更宏大,参与国家更多。月球不属于任何国家,谁先利用它,谁先获益。 

中国的探月计划 

重返月球,开发月球资源,建立月球基地已成为世界航天活动的发展趋势和热点。中国在发展人造地球卫星和载人航天之后,开展以月球探测为主的深空探测,是我国科学技术发展和航天活动的必然选择,也是我国航天事业持续发展,有所作为、有所创新的重大举措。

中国人为何探月?

中国在应用卫星技术方面已有30多年的成功经验,随着载人航天取得重大的突破,目前只有深空探测尚未开展。深空探测是航天活动的重要领域之一,月球探测是深空探测的起点,是一个国家综合国力和科学技术水平的重要体现,中国理应在月球探测领域占有一席之地。

开展月球探测将填补我国在月球及行星探测方面的空白,为中国改变航天领域的落后局面,迎头赶上国际先进水平提供了良好的机遇,有利于进一步确立我国的地位,扩大中国在全球的影响。我国第一颗人造地球卫星和第一艘载人实验飞船的成功发射是中国航天发展史中的两个重要里程碑,探月工程将成为中国在航天技术发展里程中的又一块里程碑。载人航天距地球飞行的轨道是200-300公里,应用卫星所达到的轨道高度是3-4万公里,而月球探测所需要的距离将近40万公里,这将使中国航天技术水平得到比较大的提升,也为中国对宇宙空间的认识提供一个比较好的平台。

月球探测工程是一项多学科、高科技集成的系统工程,实施这样的战略工程,将推进航天工程系统集成、深空测控通信、新型运载火箭和航天发射等航天技术实现跨越式发展,从而保持中国进入空间能力的不断提高。同时,探月工程也必将带动信息、材料、能源、微机电、遥科学等其它新技术的提高,对于促进中国社会经济的发展具有重要意义。探月工程还将促进中国基础科学的全面发展。月球是研究天体物理学、天文学和材料科学的“沃土”,月球探测将推进宇宙学、比较行星学、月球科学、地球行星科学、空间物理学、材料科学、环境学等学科的发展,而这些学科的发展又将带动更多学科的交叉渗透。

中国探月万事俱备

从1962年,我国科学界就开始了对“月球号”、“徘徊者”、“勘测者”、“月球轨道”和“阿波罗”等月球系列探测器进行跟踪性与综合性研究,参与了Apollo-17样品的研究工作,与美国、英国、德国、俄罗斯、日本开发了不同程度的合作性研究,积累了相当的研究基础,形成了一批年龄和知识结构合理的基础研究队伍。在工程技术方面,我国现有的运载火箭与发射扬能适应发射月球探测器的基本要求;月球探测器的各分系统如结构、热控制、姿控、轨控、电源、测控、数据管理等系统大部分可继承已有的研制成果;我国已具有多年研制空环境探测器和空间遥感器的能力与经验;我国现有的地球测控网完全能完成月球探测、遥测、遥控。所有这些都为实施我国月球探测任务提供了必要的基础设施。中国开展月球探测已经具备了相当的实力。

中国探月三步走

综合国际上月球探测的成果及世界各国“重返月球”的战略目标和实施计划,根据我国的科技水平、综合国力和国家整体发展战略,近期的月球探测以不载人月球探测为宗旨,分为“绕”、“落”、“回”三步。(左图)

绕:3年内,中国的第一个月球探测器将开始绕月飞行,命名为“嫦娥1号”。它将对月球进行全球性、整体性与综合性探测。主要目标是:获取月球三维立体图像,并对月球表面的环境、地貌、地形、地质构造与物理场进行探测。

落:预计在2012年发射月球软着陆器,届时软着陆器将携带月球车一起登陆月球,对月球进行月面巡视勘察,勘测着陆区域的地形地貌、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,并为月球基地的选择提供基础数据。在月球表面选择新的区域降落,展开科学考察。

回:2020年之前,发射小型采样返回舱,采集关键性月球样品返回地球,进行系统深入研究。

在基本完成不载人月球探测任务后,根据当时国际上月球探测发展情况和中国的国情国力,可进一步研究拟定中国载人月球探测战略目标和发展规划,择机实施载人登月探测以及与有关国家共建月球基地。

载人登月技术要求非常高,最基本要求是人要安全返回地球。由于沿途没有加油站,回来的东西都要带上,包括火箭,所带东西至少要30多吨重,因此必须要有运载能力强的火箭。载人登月至少要带2个飞船,30多吨的东西发射到月球后飞船要分离,一个留轨舱绕着月球转,另一个登月舱降落到月球上。登月舱飞船要平稳安全降落在月球表面,宇航员要出舱进行考察和取样等工作,还要返回登月舱,发动火箭进入绕月轨道,并与留轨舱对接;宇航员进入留轨舱后,抛射登月舱,发射火箭使留轨舱离开绕月轨道,返回地球。

“嫦娥1号”的四大科学目标

我国的第一个月球探测卫星要在确保成功的基础上,优选探测目标,确保重点,探测内容既与国际接轨,又要具有特色,不完全重复其他国家做过的工作,为月球研究和“重返月球”提供前所未有的资料,奠定我国月球探测和深空探测的地位和特色,嫦娥1号的四大科学目标为:

1.获取月球表面三维影像图。其它国家已做过的图像中存在很多空白区,我们的目标是不仅要完全覆盖全部月球,还包括从没有涉足的南北极部分区域。在中国版图内能接收月球探测卫星信号的时间每天平均只有4小时,所以接收大量卫星数据并迅速作出分析,将是形成月球数字图像的关键。

2.分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点。美国曾经对月球上5种有用元素做过分布规律与含量的探测,我们的目标是扩大到14种元素,对月球的一些有用资源进行更为全面的前景评估。还将进行国外无人涉足的月球土壤层厚度的测量,对计算月球氦3的确切含量意义重大。右图为“嫦娥1号”卫星模拟图

3.首次开展月球表面的微波辐射探测;

4.探测地月空间环境,这是我国首次在地球静止轨道以外获取空间环境数据,对于地球环境和人类社会的发展都至关重要。

“嫦娥1号”的五大工程目标

1.突破月球探测的关键技术,包括研究地-月飞行技术,验证航天器飞出地球并进入其他天体引力场的轨道设计与GNC系统技术。

2.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。

3.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。

4.验证各项关键技术,获取月球探测的宝贵工程实践经验,为未来探测积累技术基础。

5.初步建立我国探月技术研制体系,培养相应的人才队伍,推动探月活动的进一步开展。

“嫦娥1号”飞行的三个阶段

“嫦娥1号”绕月工程总投资14亿元,整个飞行过程主要分为三个阶段。

1.调整轨道段:探月卫星被发射后进入地球同步椭圆轨道,探月卫星与运载火箭分离后,在近地点通过三次变轨脱离地球轨道,进入地月转移轨道;

2.地月转移轨道段:探月卫星要飞行5到6天,在进入地月转移轨道后,卫星通过自带发动机的调整有1次或更多次的轨道修正,以确保正确进入预定月球轨道;

3.环月轨道段:当卫星接近月球时,依靠反向助推开始减速制动,最终到达高度为200千米的月球极月圆轨道,进入正常工作状态。(左图为嫦娥1号发射步骤示意图)

“嫦娥1号”月球探测卫星已完成方案设计和初样设计,各项专业试验正在进行,计划2007年发射。  

高能所承担项目——嫦娥1号的重要有效载荷

嫦娥1号计划在轨飞行一年,将搭载7种有效载荷,包括用于月球表面三维影像探测的CCD相机和激光高度计、用于月表化学元素与物质探测的成像光谱仪和γ/X射线仪、用于月壤厚度探测的微波探测仪、用于地月空间环境探测的太阳高能粒子探测器和太阳风粒子探测器,四大科学目标将通过它们实现。

中科院高能所承担的X射线成像谱仪是嫦娥1号卫星的重要有效载荷之一。它是一个宽谱段、高灵敏度、高可靠性的荧光X射线探测系统,ihep-dimianbiaoding.jpg (33250 字节)综合了新型的X射线成像技术、磁场屏蔽技术、数据采集及处理方法等,用于探测月表元素受太阳X射线或宇宙射线激发产生的和天然放射元素辐射的X射线,通过数据处理获得月表主要元素的含量和分布,从而确定月球表面位置类型和资源分布;实现对1-60 keV能区全月面的成象观测,得到X射线月貌图和辐射能谱分布。其中在10-60 keV能段,将是人类首次在环月轨道上对月面的观测,很有可能会有想象不到的新发现。(右图为研制中的样机,左图为地面标定实验)

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