[科普中國]-嫦娥四號將奔向月球背面 帶你回顧人類探月征程

我國即將發(fā)射“嫦娥四號”月球探測器，它將在飛行27天后，著陸于月球背面預(yù)選著陸區(qū)，成為世界第一個(gè)在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器。自古以來，人類就對神秘的月球有著極大的興趣，也在不斷探索月球的秘密。今天，我們就一起來回顧人類漫漫的探月征程！截至2017年底，人類總共發(fā)射了132個(gè)左右的月球探測器，其中美國60個(gè)，蘇聯(lián)64個(gè)，中國4個(gè)，日本2個(gè)，歐洲1個(gè)，印度1個(gè)，成功率大約為50%，其中早期探月失敗很多。在這一過程中，全球月球探測大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：探月三步曲第一階段為1958～1976年的美蘇空間競賽引發(fā)的首次探月高潮階段。當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)和美國展開了以探月為中心的空間競賽，發(fā)射了上百個(gè)形態(tài)各異的月球探測器，美國還進(jìn)行過6次載人登月。其主要目的是進(jìn)行太空爭霸，開展空間探索。第二階段為1976～1994年的深入研究探月意義的冷靜思考階段。在此階段只有日本進(jìn)行過1次探月活動。這一時(shí)期把月球探測技術(shù)向各領(lǐng)域轉(zhuǎn)化、推廣和應(yīng)用，將月球科學(xué)研究提高到更高理性認(rèn)識的階段。第三階段為從1994年起至今開展的第二次探月高潮階段。因?yàn)橥ㄟ^大量地總結(jié)和分析以往探月的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)和成果表明，探月具有多方面意義，對人類社會具有重要的推動作用。美國于1994年1月21日和1998年1月6日分別發(fā)射的“克萊門汀”、“月球勘探者”探測器，發(fā)現(xiàn)月球兩極存在大量水冰，從而進(jìn)一步激發(fā)了人類新的探月熱情，于是拉開了第二次探月高潮的序幕。在進(jìn)入21世紀(jì)后，全球探月再掀高潮，并呈現(xiàn)出許多與以往不同的新特點(diǎn)。隨著政治、科技和經(jīng)濟(jì)等各方面發(fā)生的巨大變化，第二次探月熱潮與冷戰(zhàn)時(shí)期開展的第一次探月熱潮有明顯的不同，比如：探測月球的目的由冷戰(zhàn)時(shí)期主要滿足政治和科學(xué)需要，改變?yōu)榘芽茖W(xué)探索和經(jīng)濟(jì)利益相結(jié)合，以探測月球資源為主，為未來月球資源開發(fā)、利用打基礎(chǔ)。探月的規(guī)模更宏大，采用的技術(shù)更新。在第二次探月熱潮發(fā)射的各類月球探測器無一失敗，這表明人類的探月技術(shù)有了較大提高。打破了20世紀(jì)只有美蘇2個(gè)國家對月球探測的壟斷局面，歐洲、日本、中國、印度和美國等國家或組織都紛紛進(jìn)行月球探測，并還將有越來越多的國家參與，且逐漸轉(zhuǎn)變成以國際合作方式為主。隨著月球探測技術(shù)水平的不斷提高，探測月球的方式也越來越多，從而使月球探測的廣度和深度不斷擴(kuò)大。從月球近旁飛過或在其表面硬著陸的探月方式已不采用了，現(xiàn)在和可以預(yù)見的將來主要采用以下探月方式：用繞月探測器的方式取得信息，這樣能有較長的探測時(shí)間并獲取較全面的資料。探測器在月球表面軟著陸，以固定或漫游車的方式進(jìn)行實(shí)地考察、拍攝探測和取樣分析等。用載人或不載人探測器在月面軟著陸后取得樣品返回地球，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。進(jìn)行撞擊式探測，它與早期的硬著陸不同，是一種新興起的探測方式，主要是探測月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成，發(fā)揮探測器的余熱。當(dāng)然，也有專用撞擊器。在月球建立永久性載人基地，以開發(fā)和利用月球的資源、能源和特殊環(huán)境，并為載人火星航行開道鋪路。國外月球探測在冷戰(zhàn)時(shí)期，主要是蘇美進(jìn)行以政治目的為主，科學(xué)目的為輔的探月競爭。蘇聯(lián)1959年1月2日發(fā)射的月球-1實(shí)現(xiàn)了人類首次飛越月球。此后一直到1976年，蘇聯(lián)先后發(fā)射了24個(gè)“月球”系列探測器，進(jìn)行了巡視探測、采用返回探測等活動。蘇聯(lián)還發(fā)射過“宇宙”、“探測器”系列月球探測器。美國早期實(shí)施過6個(gè)探月計(jì)劃，即“先驅(qū)者”、“徘徊者”、“勘察者”、“月球軌道器”、“探險(xiǎn)者”系列月球探測器和“阿波羅”系列載人登月飛船。盡管第1次探月高潮是以政治目的為主，但還是促進(jìn)了一系列航天科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展，帶動了一系列新技術(shù)的創(chuàng)新與推廣應(yīng)用，大大提高了人類對月球、地球和太陽系的認(rèn)識，使月球探測取得了劃時(shí)代的成就。冷戰(zhàn)后，越來越多的國家參與了探月俱樂部，使探月呈現(xiàn)出精彩紛呈的新局面。1990年1月，日本在發(fā)射了飛天號月球探測器，打破了美蘇對探月的壟斷。1994年1月25日，美國發(fā)射了“克萊門汀”月球探測器，獲得了當(dāng)時(shí)最詳細(xì)的月球表面圖像，并發(fā)現(xiàn)月球南極可能埋有大量的水冰。1998年1月7日，美國發(fā)射了“月球勘探者”探測器，再次證實(shí)月球上有水冰，它在壽命末期撞擊了月球南極一座環(huán)形山內(nèi)側(cè)的山壁，以確定是否存在水源。但遺憾的是，實(shí)施撞擊后未觀測到有水蒸氣出現(xiàn)，原因有多種。2003年9月27日上天的歐洲斯瑪特-1主要成就有兩項(xiàng)：一是試驗(yàn)太陽電推力技術(shù)；二是對月球進(jìn)行研究和繪圖。斯瑪特-1是世界第1個(gè)正式應(yīng)用太陽能電推進(jìn)系統(tǒng)飛向月球的空間探測器。2007年9月14日上天的日本月女神-1-由1個(gè)主探測器和2個(gè)子探測器組成，有些儀器的探測精確度是以往同類儀器的10～100倍。2008年10月22日上天的印度月船-1具有體積小、質(zhì)量輕、造價(jià)低、眼神好等特點(diǎn)。其裝有1個(gè)月球撞擊器，并采用國際合作方式。2009年6月18日，美國用1枚火箭發(fā)射了2個(gè)月球探測器——“月球勘測軌道器”和“月球坑觀測與感知衛(wèi)星”。前者在距月面50千米圓軌道飛行，分辨率優(yōu)于1米，為目前世界最高，且仍在工作；后者是世界首個(gè)專用撞擊式月球探測器，它于2009年10月9日猛烈撞擊了月球。2011年9月10日，美國發(fā)射了“月球重力恢復(fù)和內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室”（簡稱“圣杯”）。它運(yùn)行在月球上空50千米的近圓形月球極軌道，由兩個(gè)一模一樣的繞月探測器組成，主要任務(wù)是更精確地測量月球的重力場，研究月球的起源和演變。它于2012年底完成使命，進(jìn)行了撞擊式探測。2013年9月7日，美國發(fā)射了“月球大氣和塵埃環(huán)境探測器”。其任務(wù)是分析月球稀薄大氣組成成分，研究月球表面塵埃作用，了解未來月球探測活動可能對月球環(huán)境造成的影響，以及月球環(huán)境可能會對未來前往探測的人員和探月計(jì)劃本身有何影響。它還進(jìn)行了月地激光通信傳輸試驗(yàn)，通信速率達(dá)到以往方式的6倍。2014年4月18日，由于燃料耗盡，它按計(jì)劃高速撞擊了月球背面。中國月球探測隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，從2004年起，我國開始實(shí)施月球探測工程，即“嫦娥工程”?！版隙鸸こ獭辈捎美@月探測、落月探測和月球采樣返回探測，即“繞、落、回”三步走發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施，在工程和科學(xué)方面都取得了顯著成果?！袄@”：就是發(fā)射繞月探測器，對月球進(jìn)行全球性普查。它原定通過發(fā)射嫦娥一號、二號繞月探測器來完成，其中嫦娥二號是嫦娥一號的備份。后來由于嫦娥一號表現(xiàn)出色，嫦娥二號繞月探測器改作探月第二階段的技術(shù)先導(dǎo)星。2007年10月24日,我國發(fā)射第一個(gè)月球探測器嫦蛾一號。它運(yùn)行在距月面約200千米高的圓形極軌道上，于同年11月20日傳回第1幅月面圖像，從而豎起了繼東方紅一號、神舟五號之后，我國航天的第三個(gè)里程碑。在嫦娥一號上有8種科學(xué)儀器，用于獲取月球表面三維立體圖像，探測月表不同物質(zhì)的化學(xué)元素和地月空間環(huán)境，首次用微波探測儀測量月壤的厚度。在超額完成各項(xiàng)任務(wù)后，為了積累落月過程控制和軌道測定方面的經(jīng)驗(yàn)，嫦娥一號于2009年3月1日受控撞擊了月球豐富海區(qū)域。它比原計(jì)劃多飛117天；飛行期間經(jīng)歷3次月食；傳回1.37TB有效科學(xué)探測數(shù)據(jù)。嫦娥一號獲取了世界第一幅全月圖，以及月表化學(xué)元素分布和礦物含量及月壤分布和近月空間環(huán)境等數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了我國在探月領(lǐng)域的空白?！奥洹保壕褪前l(fā)射攜帶月球車的落月探測器在月面著陸，對著陸區(qū)附近進(jìn)行區(qū)域性詳查。它原定通過發(fā)射嫦娥三號、四號落月探測器來完成，其中嫦娥四號是嫦娥三號的備份，后來嫦娥二號也用于這一階段任務(wù)，用于突破關(guān)鍵技術(shù)。由于落月探測要突破等一系列關(guān)鍵技術(shù)，技術(shù)跨度和實(shí)施難度較大。因此，為了降低風(fēng)險(xiǎn)，在發(fā)射嫦娥三號之前，先于2010年10月1日發(fā)射了嫦娥二號。嫦娥二號運(yùn)行在距月面100千米高的極軌道上，設(shè)計(jì)壽命半年，分辨率7米，主要完成兩大任務(wù)：一是對新技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，對未來的預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行高分辨率成像；二是獲得更加豐富和準(zhǔn)確的探測數(shù)據(jù)，深化對月球的科學(xué)認(rèn)知。2011年4月1日，嫦娥二號半年設(shè)計(jì)壽命期滿后，進(jìn)行了拓展試驗(yàn)，例如，2011年8月25日，嫦娥二號在世界上首次實(shí)現(xiàn)了從月球軌道出發(fā)，受控進(jìn)入日地拉格朗日2點(diǎn)環(huán)繞軌道，使我國成為第3個(gè)造訪拉格朗日2點(diǎn)的國家和組織。2012年6月1日，嫦娥二號又成功變軌，進(jìn)入飛往小行星的軌道。同年12月13日，嫦娥二號與圖塔蒂斯小行星“擦肩而過”。它使我國成為世界第4個(gè)探測小行星的國家，開創(chuàng)了我國航天一次發(fā)射開展多目標(biāo)多任務(wù)探測的先河。嫦娥三號是探月二期工程的主任務(wù)。2013年12月2日，我國成功把嫦娥三號直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道。12月14日，嫦娥三號在月面軟著陸，首次實(shí)現(xiàn)了我國對地球以外天體的軟著陸。12月15日，嫦娥三號著陸器與月球車互相拍照，使我國成為世界第3個(gè)掌握落月探測技術(shù)的國家。它使我國取得了跨越式進(jìn)步，直接獲得了豐富的月球數(shù)據(jù)，并經(jīng)受了著陸、移動和長月夜生存三大挑戰(zhàn)。在月球背面著陸進(jìn)行探測，對研究月球和地球的早期歷史具有重要價(jià)值。另外，月球背面可屏蔽來自地球的各種無線電干擾信號，因而在那里能監(jiān)測到地面和地球附近的太空無法分辨的電磁信號，有望取得重大成果。不過，由于在地球上永遠(yuǎn)看不到月球的背面，所以在月球背面著陸的探測器不能直接和地球站進(jìn)行無線電通信。為此，我國先把“鵲橋”送入地月拉格朗日2點(diǎn)暈軌道。在這個(gè)軌道，“鵲橋”能同時(shí)看到地球和月球，此后在月球背面著陸的嫦娥四號與地球站之間提供通信鏈路。2018年5月21日，我國發(fā)射世界首顆月球中繼星“鵲橋”，6月14日進(jìn)入使命軌道。同時(shí)，我國即將發(fā)射嫦娥四號。它飛行27天后，著陸于月球背面預(yù)選著陸區(qū)，成為世界第一個(gè)在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器。作為嫦娥三號的備份，嫦娥四號仍是由著陸器和巡視器組成，但是因?yàn)殒隙鹚奶柵c嫦娥三號的科學(xué)目標(biāo)差異很大，因此兩者所裝載的科學(xué)載荷有明顯變化，更換了部分科學(xué)載荷，其中有3臺是國外的。嫦娥四號有三大科學(xué)任務(wù)：對月球背面的環(huán)境進(jìn)行研究；對月球背面的表面、淺深層、深層進(jìn)行研究；用低頻射電探測儀探測宇宙天體。“回”：就是發(fā)射月球采樣返回器,。它在月面特定區(qū)域軟著陸并采樣，然后把月球樣品帶回地球進(jìn)行精查。它原定通過發(fā)射嫦娥五號、六號采樣返回器完成，其中嫦娥六號是嫦娥五號的備份，后來又增加發(fā)射了嫦娥五號飛行試驗(yàn)器，用于掌握嫦娥五號以接近第二宇宙速度的高速再入返回關(guān)鍵技術(shù)。嫦娥五號飛行試驗(yàn)器于2014年10月24日升空了。11月1日，試驗(yàn)器的返回器在內(nèi)蒙古著陸。這是我國航天器第一次在繞月飛行后再入返回地球，它的成功表明，我國已全面突破和掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回關(guān)鍵技術(shù)。未來探月前景2019年，印度將發(fā)射月船二號探測器。它由一個(gè)軌道器、一個(gè)著陸器和一輛月球車組成。其任務(wù)是演示驗(yàn)證在月球上的軟著陸能力，對月球表面進(jìn)行礦物和地質(zhì)等方面的測繪和分析，探測月球上是否有水。同年，日本將發(fā)射“月球調(diào)查智能著陸器”。它將把著陸點(diǎn)精確控制在距離目標(biāo)區(qū)域數(shù)百米的范圍內(nèi)；落月時(shí)將實(shí)現(xiàn)月表地形的快速評估，迅速辨認(rèn)可能的登陸障礙物；落月后將研究月球材料和表面微量氣體，為今后的載人登月做準(zhǔn)備，并為無人探測器考察火星積累經(jīng)驗(yàn)。此后，日本還將發(fā)射月女神二號月球車。2019年，我國將發(fā)射嫦娥五號采樣返回器，它是我國探月工程三期的主任務(wù)，由上升器、著陸器、軌道器、返回器四個(gè)部分組成，完成探月工程的重大跨越——帶回2千克月球樣品。嫦娥五號不僅要完成落月，還要攻克“采樣”、“封裝”、“上升”、“對接”、“高速返回地球”等技術(shù)難題。嫦娥五號送到月球軌道后將兩兩分離，軌道器-返回器組合體留在軌道，著陸器-上升器組合體在月面上降落。著陸后，著陸器用兩個(gè)機(jī)械手進(jìn)行月面采樣和鉆孔取樣，并將樣品放入上升器攜帶的容器里進(jìn)行封裝；隨后上升器從月面起飛，與軌道器-返回器組合體交會對接，把樣品轉(zhuǎn)移到返回器后分離；軌道器-返回器組合體踏上歸途，以接近第二宇宙速度飛到距地球幾千千米時(shí)分離；最后返回器在預(yù)定著陸點(diǎn)降落。未來，中國還將對月球兩極進(jìn)行著陸探測，建立月球科研站，最終實(shí)現(xiàn)載人登月的夢想。美國計(jì)劃在2020年以后進(jìn)行載人繞月飛行，然后與俄羅斯合作建立深空之門——月球空間站，最終將通過國際合作建立月球基地，為載人登火星奠定基礎(chǔ)。作者|龐之浩（空間探測傳播首席專家）審稿|丁溯泉（曾任北京跟蹤與通信技術(shù)研究所工程師、中國載人航天工程辦公室高級工程師，現(xiàn)任北京天問空間科技有限公司總經(jīng)理）文章由“科普中國頭條創(chuàng)作與推送項(xiàng)目”團(tuán)隊(duì)推出轉(zhuǎn)載請注明來自“科普中國”資料來源：知識就是力量雜志