从阿波罗到嫦娥

　　从阿波罗到嫦娥

　　中国人的太空时代始于1970年4月24日那个漆黑的夜晚。

　　在酒泉东北大约300公里的戈壁深处，一枚长征一号火箭从发射架腾空而起，火箭顶端携带着一颗173公斤重的铝合金球体，那就是著名的“东方红一号”人造卫星。

　　“东方红一号”虽然比苏联发射的第一颗人造卫星“斯普特尼克一号”晚了13年，但它的质量超过了前四个国家(苏、美、法、日)第一颗卫星质量的总和。更重要的是，它把中国正式带入到世界“太空俱乐部”。

　　此后，在短短的30多年间，中国成功发射了返回式卫星、实现了载人飞行。现在，中国又把目光投向了更遥远的深空——月球。

　　“嫦娥”的使命

　　如果太空是一片浩瀚的海洋，那么月球就是离人类最近的岛屿。想出海，就必须先踏足这座岛屿

　　★ 本刊记者/蔡如鹏

　　“嫦娥一号”工程的核心就是为了实现从地球到月球的星际飞行。月球探测工程是中国头一次飞离地球，对地外星体进行探测。

　　人类第一次对月球表面进行全月面三维立体照相

　　中国科学院地球化学研究所研究员欧阳自远院士，是“嫦娥工程”月球应用科学首席科学家。他在接受《新京报》采访时回忆，2004年1月国务院正式批准绕月探测工程立项，此前“整整酝酿了10年”。这期间，争议最大的就是“上月球干什么”。

　　1997年香港回归前夕，有人提出利用运载火箭往月球上发射一个象征中国的铁质标志，永远将其“烙”在月球上，以扬国威、鼓志气。一些学者甚至向中央打了申请报告，计划在香港回归前完成发射任务。这个设想当时在科学界引发巨大争议。

　　“这完全是从政治角度考虑的，基本上没有什么科学研究价值。所以当报告打到中央后，被时任国务院总理的李鹏同志否决了。”欧阳自远说。

　　这次“嫦娥一号”明确提出了四项科学目标：

　　获取月球表面三维影像；

　　分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点；

　　探测月壤特性；

　　探测地球至月球的空间环境。

　　与上世纪六七十年代苏联和美国探月相比，这次“嫦娥一号”探月除了一些必要的重复性、确认性的探测内容外，将是人类第一次对月球表面进行全月面三维立体照相。

　　国家天文台研究员李竞评价说，月球表面影像“从二维到三维，完全不一样。三维立体照相用处很大，对将来进一步探月，都是重要的基础建设。”

　　绕月探测工程卫星系统副总设计师孙辉先透露，“嫦娥一号”将利用月球的自转完成对整个月面的覆盖观测，分辨率在120米左右。

　　“尽管人类已经向月球发射了近百个探测器，但仍有不少基本的问题没有定论。”北京大学地球与空间科学学院教授焦维新说，比如月球上最高的山有多高，有说八千米的，有说七千米的，有说五六千米的，相差很大。

　　为了完成四项科学目标，“嫦娥一号”上搭载了6套24件科学探测仪器(也称有效载荷)，包括CCD立体相机、激光高度计、成像光谱仪、伽马/X射线谱仪、微波探测仪、太阳高能粒子探测器和低能离子探测器等。

　　CCD立体相机，是拍摄月球表面三维影像的专用相机，在中国属首次使用；

　　伽马/X射线谱仪用于探测月球表面元素；

　　微波探测仪除用于获取月壤厚度信息外，还能给出月球背面的亮度温度图和月球两极地面的信息。

　　这些探测仪器“总的来说，与国际上当前同类仪器的研制水平相当”，孙辉先说，有些方面还有创新，比如这次“使用的伽马/X射线谱仪探测的分辨率和灵敏度，比国际上以往月球探测中使用的同类仪器要高，所以可能探测到更多的元素。”

　　与日本9月14日发射的“月亮女神”探测器相比，孙辉先认为，两者的探测目标互补。

　　“月亮女神”除主星外还有两个小卫星，是一箭三星，探测月表元素、矿物、月球空间环境等目标，与“嫦娥一号”相近，但“嫦娥一号”有探测月壤厚度的目标，“月亮女神”没有;“月亮女神”有探测月球结构的目标，“嫦娥一号”没有。

　　如果控制不好，就会出现撞击月球或飞离月球的可能　　

　　与中国已发射的近百颗人造卫星和六艘飞船相比，“嫦娥一号”将飞得更远、更快。它的目的地是距地球38.4万公里之遥的月球，而“神舟”飞船的轨道离地面只有300多公里。

　　焦维新教授告诉记者：“在探月工程之前，中国把卫星送至的最远距离大约是7万公里。”

　　飞得越远，需要摆脱的地球引力束缚越大。根据物理学家的计算，要想把一个物体发射到太空中，至少要达到2.8万公里的时速(即第一宇宙速度7.9公里/秒)才能进入近地轨道。

　　“嫦娥一号”虽然仍没有完全摆脱地球引力的束缚，但它需要从近地轨道转移至环月轨道，因此，在太空中飞行的最高速度也要大大超过所有的近地卫星。

　　据绕月探测工程卫星系统副总设计师孙泽洲透露，“嫦娥一号”在地月转移轨道入口的速度会达到10.9公里/秒左右。

　　“卫星从地球往月球转移的轨道，称之为地月转移轨道。”焦维新教授解释说——“嫦娥一号”发射后，先进入距离地面200公里的停泊轨道，围绕地球旋转，然后，等待时机加速转入地月转移轨道。最后，达到月球附近时，减速切入环月轨道，执行对月球的探测任务。

　　在进入环月轨道前，“嫦娥一号”需要进行9至10次的变轨。其中最为关键的是进入地月转移轨道时的变轨，以及进入环月轨道时的变轨。

　　这两次变轨均具有短暂性和惟一性的特点。如果控制不好，就会出现撞击月球或飞离月球的可能。因为，“嫦娥一号”的飞行路线并不是一条直线，所以它的飞行距离远不止38.4万公里。在这样漫长、复杂的太空旅程中，轨道的设计以及途中对火箭和卫星的控制、测量都是需要面对的难关。

　　“火箭与卫星在飞行当中必须有一个参考系，就像船在大海航行，必须有个灯塔指令航程，所以飞行过程中需要很多的参考机制，这些都是控制上的问题。”中国科学院院士、中国运载火箭技术研究院火箭弹道设计专家余梦伦说。

　　上世纪六七十年代，美国“阿波罗”载人飞船在轨道设计时，从宇航员保障考虑，尽量缩短行程的时间，来回只用了8天3小时18分钟，焦维新介绍说。

　　这次“嫦娥一号”在轨道设计上，对时间的考虑则显得从容得多。“飞到月球附近需要10至12天。”绕月探测工程卫星系统副总设计师孙泽洲说。

　　谈到与阿波罗计划的区别，焦维新说:“虽然轨道大同小异，但我们(指‘嫦娥一号’卫星)不是进入停泊轨道以后就直接加速进入地月转移轨道，还要经过几个大椭圆轨道，等待最佳变轨时机，这样既便于控制，又可以节省燃料。”

　　他进一步解释说，卫星在停泊轨道的速度大约是7.7公里/秒，如果一下子加大到进入地月轨道时所需的10.9公里/秒，速度的增幅过大，控制难度较大。但通过多次加速，经过几个大椭圆轨道，每次速度提高一点，便于控制。同时，选择最佳时机变轨，可以尽量减少对卫星速度的调节次数，降低能量的消耗。

　　除了轨道设计和控制系统之外，余梦伦指出，卫星是否适应此前没有遇到过的深空环境以及实现长距离的通讯，都是将要面临的考验。

　　月球上有很多矿产资源，特别是月壤中的氦-3

　　“嫦娥一号”完成绕月探测任务后，中国的探月工程将展开新的目标。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中，月球探测工程被设想为三期，简称为“绕、落、回”三步，2020年前后完成。

　　但载人登月尚未列入计划之中。

　　第二步为“落”，即发射月球软着陆器，并携带月球巡视勘察器(俗称月球车)，在着陆器落区附近进行就位探测，这一阶段将主要突破在地外天体上实施软着陆技术和自动巡视勘测技术。

　　第三步为“回”，即发射月球采样返回器，软着陆在月球表面特定区域，并进行分析采样，然后将月球样品带回地球，在地面上对样品进行详细研究。这一步将主要突破返回器自地外天体自动返回地球的技术。

　　这三个阶段的关系是递进衔接，每一步都对前一步深化，并为下一步奠定基础。“绕”是全球性、整体性与综合普查；“落”是区域性精细就位分析；“回”是样品返回地面后的试验室精准分析。

　　中国的探月工程也把目标直接指向了月球上的资源。中国科学院地球化学研究所研究员欧阳自远院士多次表示，月球上有很多矿产资源，特别是月壤中的氦-3，是地球上稀有的核聚变燃料。而“嫦娥一号”的任务之一就是探测月壤特性。

　　也有科学家认为探月计划的目标不宜定位为月球资源开发，首先要考虑成本，现在地面上的氘和氚资源很丰富，电解后就可以使用，到月球上开发氦-3缺乏可行性论证。

　　但争议无法阻止人类探月的脚步。焦维新的这段话或许说明了其中的缘由：“如果太空是一片浩瀚的海洋，那么月球就是离我们最近的岛屿。想出海，怎么能不先踏足这座岛屿呢？”★