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中國深空探測之夢：去遠方，看宇宙！

2019/11/16

導讀

中國的深空探測正在路上

pixabay.com

2019年1月3日，嫦娥四號探測器著陸于月球背面南極-艾特肯盆地中的馮·卡門撞擊坑。隨后，玉兔二號月球車與嫦娥四號著陸器分離，月球車開展巡視探測，著陸器開展就位探測。在此之前，人類已經(jīng)借助繞月衛(wèi)星遠距離觀測過月球背面，但作為人類歷史上第一次著陸于月球背面的探測器，嫦娥四號終于可以零距離地接觸月背，在這片人類目光難以觸達的外星土地上留下屬于人類的足跡。

從2004年中國探月工程，即 “嫦娥工程” 正式啟動開始，十五年間，中國已經(jīng)完成了“繞-落-回”三部曲中的繞和落，并首次登陸月球背面。在不久的將來，嫦娥五號將飛向月球并取樣返回，完成嫦娥工程“繞-落-回”三步走的全部戰(zhàn)略目標。

后續(xù)，中國還計劃在月球南極建立月球科研站，進一步探測確認月球兩極的月坑中是否存在水冰。與此同時，中國的深空探測也將開展，計劃在不久的將來發(fā)射第一個火星探測器。

更為雄心勃勃的是，中國還希望探索日球?qū)拥倪吔?，也就是太陽風能夠到達的邊界?！澳抢锞嚯x太陽系中心大約100個天文單位，人類飛行器大概要20到30年的時間才能飛到那里。我們希望有這樣的機會?！敝袊皆鹿こ炭傇O計師吳偉仁介紹說。

去遠方，看宇宙！中國的深空探測正在路上。

2019年4月底，《國家科學評論》（National Science Review, NSR）采訪了嫦娥工程的幾位關鍵性人物，包括中國探月工程總設計師吳偉仁、中國探月工程首任首席科學家、領導小組高級顧問歐陽自遠，以及中國探月工程三期副總設計師、嫦娥四號地面應用系統(tǒng)總指揮李春來，聽他們解讀中國月球與深空探測計劃的科學意義與未來規(guī)劃。

撰文 | 趙維杰王赤

責編 | 夏志堅

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為何要去月球背面？

NSR：嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車目前的狀態(tài)如何？

吳偉仁：狀態(tài)很好。嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車的設計壽命分別是6個月球晝夜和3個月球晝夜，現(xiàn)在它們馬上要開始第5個月晝的工作。也就是說，玉兔二號已經(jīng)超期服役，而著陸器也即將到達設計壽命?，F(xiàn)在玉兔二號已經(jīng)在月球背面行走了180米左右，它和著陸器正在探測月球背面的地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分以及空間環(huán)境，相關的探測儀器都運行正常。（注：一個月球晝夜約為28天，其中月晝、月夜各14天；截至2019年11月5日，嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車已進入著陸后的第12個月晝，二者均已超期服役。第11個月晝結(jié)束后，玉兔二號已經(jīng)行走超過300米。)

吳偉仁與玉兔號月球車模型

NSR：為到達月球背面，嫦娥四號做了哪些技術改進？

吳偉仁：主要的變化有兩點。第一是需要發(fā)射一顆中繼星，來解決地球和月球背面之間的測控通信問題。中繼星“鵲橋”號在2018年5月發(fā)射升空，到達地-月拉格朗日L2點附近，它可以轉(zhuǎn)發(fā)地球和月球背面之間的通信信號。

第二是嫦娥四號采用了新的著陸方式。月球正面有很大的平原，著陸相對簡單，嫦娥三號可以以一定的傾角滑落下去。但是月球背面的地形更加復雜，有很多高山和月坑，起伏很大。為了避免在降落過程中撞到山體，嫦娥四號基本上是垂直降落的。事實上，由于山多坑多，我們花了很長時間才找到適合嫦娥四號著陸的地點，它的預選著陸區(qū)域很小，只有嫦娥三號的八分之一。

歐陽自遠與全月球影像圖（據(jù)嫦娥二號數(shù)據(jù)繪制）

NSR：我們?yōu)槭裁匆ピ虑虮趁?？嫦娥四號的主要科學目標是什么？

歐陽自遠：嫦娥四號的主要科學目標有3個，都是只有到月球背面才能做的。

第一是收集來自太陽、太陽系、銀河系以及宇宙的長波信號。在地球和月球正面，由地球電離層干擾產(chǎn)生的高額噪聲使我們無法接收波長在一米以上的長波信號。但是由于月球本身的遮擋，月球背面可以不受來自地球電離層的干擾，容易接收到波長10米、100米甚至10公里的低頻長波信號。收集到這些長波信號，我們就可以從一個新的波段來了解太陽和宇宙中的其他天體。在嫦娥四號著陸器上，我們搭載了一臺低頻射電頻譜儀，用來收集這部分信號。

第二是探索月球早期的地質(zhì)歷史。月球現(xiàn)在已經(jīng)沒有內(nèi)部巖漿活動，是一顆 “僵死” 的星球。但是在30到45億年前，它也曾經(jīng)是非常活躍的，有大量的巖漿噴發(fā)、火山活動和構(gòu)造運動，形成新的巖石。在月球正面，人類已經(jīng)探測了很多30到40億年前的巖石樣品，了解了這段時期的月球歷史，但是在40億年以前形成的巖石埋藏在更深的地方，或者被后期的火山熔巖流所覆蓋，因而難以探測。在大約40億年前，有一顆巨大的小天體撞擊在了月球背面，它的沖擊波在月球背面撞出了一個直徑2480公里的巨大的盆地，也就是這次嫦娥四號著陸的南極-艾特肯盆地。這次撞擊剝開了艾特肯盆地內(nèi)部的巖石，許多比40億年更古老的巖石都暴露了出來。所以我們?nèi)グ乜吓璧?，就能夠探測到更古老的巖石，了解更早的月球地質(zhì)演化歷史。我們在玉兔二號月球車上安裝了測月雷達和紅外成像光譜儀，來探測月球背面艾特肯盆地內(nèi)部的地下淺層結(jié)構(gòu)，以及剝露出來的古老的早于41億年前的巖石礦物成分，甚至發(fā)現(xiàn)月球深部月幔的巖石。

第三，我們還希望探測月球背面的空間環(huán)境，看它和月球正面是否有差異。我們推測背面和正面的差異不會很大，但還是需要實地測量才能確認。用于這方面探測的儀器包括搭載于嫦娥四號著陸器，與德國合作研制的月表中子與輻射劑量探測儀，以及搭載于玉兔二號月球車，和瑞典合作研制的中性原子探測儀等。

李春來：嫦娥四號的第一批數(shù)據(jù)已經(jīng)返回，我們已經(jīng)開始分析數(shù)據(jù)并準備發(fā)表學術論文。

NSR：嫦娥四號取得的科學數(shù)據(jù)是否會向國際科學界公開？

李春來：根據(jù)國際慣例，取得數(shù)據(jù)半年后，數(shù)據(jù)會向中國科學家開放，所有相關領域的中國科學家都可以申請獲得數(shù)據(jù)。而在一年之后，數(shù)據(jù)將對國際科學界開放。此外，對于國際載荷，我們會在第一時間與合作方共享數(shù)據(jù)。

月球和深空探測工程是國家意志

NSR：中國還會繼續(xù)探測月球背面嗎？

吳偉仁：短期內(nèi)沒有相關計劃。所以這次嫦娥四號的任務很重，它是人類第一次登陸月球背面，也將是短期內(nèi)唯一的一次。因此，采集探測到的數(shù)據(jù)也就更加珍貴。但從長遠看，還是有可能繼續(xù)下去的。

NSR：中國未來的月球和深空探測計劃是怎樣的？

吳偉仁：空間科學技術發(fā)展至今，從經(jīng)濟成本、風險等方面考慮，無人探測是重點。我們計劃在不久的將來發(fā)射嫦娥五號探測器，登陸月球正面并采樣返回。后續(xù)，我們還計劃在月球南極建立月球科研站。之所以選擇南極，主要有兩個考慮。一是和地球類似，在一年中，月球的南極可以有一半、甚至90%的時間有連續(xù)光照，更加適合探測儀器的連續(xù)長期工作。二是已有的探測顯示，在月球兩極終年不見陽光的月坑中，可能存在水冰，這是我們希望進一步探測和確認的。

我們也將進一步開展深空探測，將會在不久的將來發(fā)射第一個火星探測器?？茖W家們也正在論證木星探測、小行星探測。此外，我們還希望探索日球?qū)拥倪吔?，也就是太陽風能夠到達的邊界。那里距離太陽系中心大約100個天文單位 [1天文單位=149 597 870 700米≈日地距離]，人類飛行器大概要20到30年的時間才能飛到那里。我們希望有這樣的機會。

NSR：中國探月工程的耗資情況如何？我國政府是否會持續(xù)支持月球和深空探測計劃？

吳偉仁：月球和深空探測工程是國家意志，也是人類尋找地外生存空間的必由之路，所以政府一定會持續(xù)支持。如果我們將嫦娥工程的總投入平均到工程實施的這十幾年中，年均投入額只占我國年GDP的萬分之零點三。和美國阿波羅計劃等項目相比，這樣的費用水平并不高。

數(shù)萬人參與，大工程組織與協(xié)作的藝術

NSR：探月工程需要多部門合作，它的人員規(guī)模和組織形式是怎樣的？

吳偉仁：直接或間接參加中國探月工程的有數(shù)萬人，上千家單位，包括航天科技集團、航天科工集團、電子科技集團等工業(yè)部門，中科院的各個研究所，很多高校，以及分布在各省市自治區(qū)的配套單位。各部門之間的協(xié)調(diào)合作對于探月工程的順利實施至關重要。

歐陽自遠：從嫦娥一號到嫦娥四號，這些探測任務的成功已經(jīng)證明我們的組織機制是有效的，不會發(fā)生大的錯誤。

李春來與玉兔號月球車模型

李春來：在不考慮載人的情況下，探月工程主要包含五個系統(tǒng)：探測器系統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和地面應用系統(tǒng)。

我所負責的地面應用系統(tǒng)可以理解為整個工程中的科學部分，所以我們又把這個系統(tǒng)叫做 GRAS，ground research and application system，地面科學研究與應用系統(tǒng)。具體來講，在工程總體設計階段，我們負責確認科學目標，再根據(jù)軌道器、著陸器、月球車、返回器的儀器特點和它們所處的空間環(huán)境，來決定在哪里安裝哪些科學儀器，或者說有效載荷，來實現(xiàn)我們的科學目標。在探測器上天之后，我們需要根據(jù)實際情況，對儀器下達指令，控制它們的具體工作狀態(tài)以獲取科學數(shù)據(jù)。我們還負責數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)處理和科學目標的研究，并負責數(shù)據(jù)的授權(quán)發(fā)布。也就是說，地面應用系統(tǒng)負責從科學目標確立到科學成果分析研究的整個科學鏈條。

NSR：嫦娥四號任務搭載了數(shù)個國際載荷。在未來的月球和深空探測中，我們將以怎樣的方式開展國際合作？

李春來：美國有明確的法律條款，規(guī)定中美之間不能在航天領域開展合作。但是我們可以和歐洲或其他地區(qū)的國家開展合作?，F(xiàn)在，我們的嫦娥六號任務和小行星探測任務都已經(jīng)公開向國際科學界征集載荷。我們會提出一個載荷列表，如果對方對其中的載荷和科學項目感興趣，就可以申請研制某個載荷。如果他們還有新的想法，也可以提出申請，我們經(jīng)過論證和討論，如果認為合理也會考慮增加新的載荷。在我們未來所有的探測計劃中，都會積極進行國際合作。

NSR：SpaceX 發(fā)展迅猛，中國也有眾多新成立的民營航天公司，這些公司的未來發(fā)展趨勢如何？它們是否會參與我國的月球和深空探測工程？

吳偉仁：我們歡迎民營公司參與月球和深空探測，為工程做必要的補充。

目前，中國有若干家民營火箭公司，衛(wèi)星公司更多。和SpaceX等國外民營航天公司一樣，這些公司的創(chuàng)建者和技術人員，很多都是在國家航天系統(tǒng)中工作過的人。目前的形勢有些一哄而上的混亂，我認為經(jīng)過一定時間的調(diào)整和競爭，會有一部分公司從中脫穎而出，獲得更好的發(fā)展。目前，國家已經(jīng)開始制定相關規(guī)范，來引導這些民營航天公司的規(guī)范運作和有序競爭。我相信它們未來會發(fā)展得很好。

探月工程，我們已經(jīng)收獲了什么？

NSR：探月工程是否有經(jīng)濟意義？比如說，我們是否能開采月球上的資源？

歐陽自遠：月球上確實有不少資源。比如，嫦娥一號和二號的探測結(jié)果顯示，月球上有非常廣闊的含有金屬鈦的礦區(qū)，以及稀土、鈾、釷、鉀、磷等礦產(chǎn)資源。此外，月球土壤中還富含可以用于核聚變的氦-3，如果能夠加以利用，這些氦-3可以提供全人類1萬年的能源需求。但是以目前的技術水平，我們還沒有辦法在月球上建設分離氦-3的設施，更不可能將這些礦產(chǎn)資源運回地球再行分離。所以，這些月球上的資源目前還沒有開采價值，無法帶來實際的經(jīng)濟利益。

吳偉仁：從另一個角度看，探月工程帶來的技術進步是可以促進我國工業(yè)發(fā)展，并帶來經(jīng)濟利益的。舉例來講，在探月工程中我們成功研制了連續(xù)可變推力液體發(fā)動機。這一技術目前只有美國、俄羅斯和中國掌握。嫦娥四號著陸器的四條腿上還應用了最新的緩沖拉桿，這種材料可以根據(jù)受力大小進行大比例的伸展，保證嫦娥四號平穩(wěn)著陸，這項技術也有很廣闊的應用前景。此外，我們還建設了包含目前國內(nèi)最大口徑天線的深空測控網(wǎng)，這為更遠深空探測奠定了基礎。

NSR：中國探月工程的國產(chǎn)化程度如何？我們和美國、俄羅斯等航天強國還有哪些差距？

吳偉仁：嫦娥四號的元器件、原材料國產(chǎn)化水平在96%左右，向國外采購的部分也都不是關鍵性部件，我們的國產(chǎn)化、自主性水平是很高的。

美國和俄羅斯的航天工業(yè)基礎雄厚、規(guī)模龐大、技術先進。我們起步較晚，但是發(fā)展速度很快，目前已經(jīng)建立了完整的航天工業(yè)體系，也擁有了完整的航天工業(yè)產(chǎn)品線。人類的航天事業(yè)開始于大約100年前，中國的航天工程60年前才開始，在這么短的時間內(nèi)，人類已經(jīng)取得了如此巨大的成果，所以我相信我們將來一定會到達更加遙遠的宇宙空間，取得我們今天難以想象的成果。

李春來：在地面應用系統(tǒng)中，我們使用的接收天線等硬件設施都是自主研制的。但在后續(xù)的科學研究中，我們會使用一些國外生產(chǎn)的分析儀器和設備。

結(jié)緣航天，探索未知

NSR：歐陽老師和李老師都是地質(zhì)學專業(yè)出身，之后進入航天領域，這是巧合嗎？

歐陽自遠：行星科學其實可以看作是地球科學的延伸，是用研究地球的思路、理論和方法去研究其他行星。所以也有一門學科叫做比較行星學，就是以地球作為基準，以比較的方法來研究其他的行星與衛(wèi)星。事實上，不只在中國，歐洲、俄羅斯和美國等國家的許多行星科學研究者也都是地質(zhì)學專業(yè)出身的。

李春來：從這個角度看，行星科學和天文學還是有些區(qū)別的。現(xiàn)在的天文學家常常把星體作為一個點來研究，通過光譜等來研究它的整體性質(zhì)。但是行星科學家希望研究一個星球表面和內(nèi)部（面和體），了解它的形貌、成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化歷史。事實上，現(xiàn)在的天文學也在向面和體發(fā)展，這是未來的趨勢。

NSR：你們是如何加入中國探月工程的？在探月工程中，有什么讓你印象深刻的事情？

吳偉仁：我大學畢業(yè)就從事航天工作，一直沒有變化過職業(yè)。我深深地熱愛這份工作，探索太空、探索未知是人類的天性使然。在多年工作中，我深深體會到并感動于很多航天人為事業(yè)奮斗、協(xié)作配合、勇于奉獻、不計個人得失的精神。正是這種精神，才使中國航天、中國探月工程不斷取得輝煌。

歐陽自遠：1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星，拉開了人類空間時代的帷幕，1958年蘇聯(lián)和美國開始探測月球。那時我們年輕的共和國剛剛建立不久，百廢待興，一窮二白。我當時正在中國科學院地質(zhì)研究所攻讀副博士研究生，并且開始意識到中國的空間時代一定會到來，而我們要為之早做準備。

1958年開始，我率先在國內(nèi)系統(tǒng)性開展隕石、宇宙塵埃等地外物質(zhì)，以及小天體撞擊地球誘發(fā)效應的相關研究。我負責了對1976年吉林隕石雨的研究工作，這是世界最大規(guī)模的隕石雨。1978年美國卡特總統(tǒng)向中國贈送了阿波羅月球樣品，我有幸主持了對該樣品的研究工作。與此同時，我們?nèi)嬲{(diào)研了美、蘇兩國的空間探測計劃，并初步構(gòu)思了中國月球探測計劃。

1993開始，我積極參與了為期10年的中國月球探測系統(tǒng)論證。1995年我負責完成了《中國開展月球探測的必要性與可行性》研究，評委一致結(jié)論 “非常有必要，完全能實行”。此后，我們又依次完成了中國月球探測工程的總體規(guī)劃和分階段規(guī)劃。2003年以孫家棟院士為組長、我為副組長的論證組完成了《中國開展首次月球探測的綜合立項報告》及6份《附件》，上報國務院，并獲得立項，啟動實施。2004年，我被任命為中國繞月探測工程科學應用首席科學家。

2004年中國宣布將開展月球探測時，公眾提出了很多問題，比如 “我們在地球上的事情都做不完，為什么還要去探測月球？” “要花多少錢？” 等等。我深感有責任和義務去講清楚這些問題。于是我開始對不同層次的領導干部、公務員、社會公眾、大中小學生做有關月球和行星探測的科普講座。2008年到2018年11年間，我一共做了617場科普講座，現(xiàn)場聽眾總?cè)藬?shù)35萬3千多人。有網(wǎng)絡直播的講座中，每一場的網(wǎng)絡聽眾達到20萬到80萬人。此外，我還發(fā)表了月球探測相關的報道和科普文章300多篇，出版科普圖書12冊。

李春來：我大學畢業(yè)后從事了三年金銀礦的礦床和礦物學研究工作，上研究生后師從歐陽自遠院士開始從事隕石學、天體撞擊事件的研究，月球科學的研究就是其中的一部分。我跟隨歐陽自遠院士開展了月球探測科學目標的研究，并接受了地面應用系統(tǒng)的研制和建設工作。在探月工程中，感受最深的是，航天工程是一個系統(tǒng)工程，必須要大家（各個人、各系統(tǒng)）通力配合、大力協(xié)同、步調(diào)一致才能完成。

致謝：中國科學院神經(jīng)科學研究所所長、NSR執(zhí)行主編蒲慕明參與了此次訪談，在此感謝！

作者簡介：

趙維杰為NSR新聞編輯，王赤為國家空間科學中心主任，NSR編委

版權(quán)聲明

本文英文原文于2019年8月16日在線發(fā)表于《國家科學評論》（National Science Review，NSR ），原標題為“China’s lunar and deep space exploration: touching the moon, exploring the universe ”。NSR是科學出版社旗下期刊，與牛津大學出版社聯(lián)合出版。《知識分子》獲NSR授權(quán)刊發(fā)該文中文版。

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