時(shí)光荏苒,轉(zhuǎn)瞬間,距離2004年1月23號,國務(wù)院批準(zhǔn)繞月探測工程即“嫦娥工程”立項(xiàng)的日子,已經(jīng)過去了整整20年。我們欣喜地看到,月球探測越來越成為人類航天活動的一大熱點(diǎn)。尤其是今年,廣寒宮內(nèi)更是將迎來多方賓客。
探月:人類跨出地球搖籃的第一步
探索未知世界是人類的天性,月球這一從地面望去最大的天體,自古以來就承載了人類對于浩瀚宇宙的無限向往,產(chǎn)生了無數(shù)關(guān)于月球的傳說、故事。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,人類對于月亮認(rèn)識越來越多。月球是地球唯一的天然衛(wèi)星,地月相距平均約38萬千米,月球直徑大約是地球的四分之一,月球表面重力是地球的六分之一,月球一晝夜相當(dāng)于27.3個(gè)地球日,月球表面溫度約為130~-180℃等等,這些逐漸為我們所熟知的常識,使人類認(rèn)識到月球并非是想象中的那個(gè)天國,而是一個(gè)并不適于人類生存的不毛之地。
“地球是人類的搖籃,但人類不可能永遠(yuǎn)被束縛在搖籃里?!饼R奧爾科夫斯基這一名言,道出了不斷繁衍和擴(kuò)展這一存在于生命底層的密碼。相比于廣闊的宇宙空間,有形有質(zhì)的星球簡直如同晴空中的灰塵一般難覓,而可供人類駐足的星球更是少之又少。橫亙在星球之間的遙遠(yuǎn)距離已經(jīng)成為人類走出地球搖籃最難穿越的結(jié)界。
距離地球最近的月球,就這樣成為人類踏足外太空施展拳腳的第一個(gè)試練場。因?yàn)榫嚯x近就意味著技術(shù)難度、風(fēng)險(xiǎn)和成本都低,人類就能夠相對容易地去實(shí)踐、去探索。人類航天時(shí)代的大幕甫一開啟,對月球的探索就迎來了第一波的熱潮。
第一輪探月高潮主要圍繞美蘇兩個(gè)航天大國之間的航天競賽展開。
1959年1月3日,蘇聯(lián)成功發(fā)射月球1號探測器。月球1號原計(jì)劃撞擊月球,但因地面控制系統(tǒng)故障,未能完成預(yù)定計(jì)劃,而是在1月4日從距離月球6000千米處飛掠,成為首個(gè)飛掠月球的探測器。隨后的1959年9月12日,蘇聯(lián)成功發(fā)射月球2號探測器,并按計(jì)劃于1959年9月14日成功撞向月球正面,使其成為第一個(gè)到達(dá)月球表面的人造物體。緊接著在1959年10月7日,月球3號成功獲得了月球背面的圖像,這是人類第一次目睹月球背面的照片。
月球3號探測器發(fā)回了第一張?jiān)虑虮趁娴恼掌?,人類首次遠(yuǎn)遠(yuǎn)一窺月球背面的模樣。
圖片來源:俄羅斯國家科技文獻(xiàn)檔案館
盡管在初期落于下風(fēng),但美國也急起直追,構(gòu)思了宏大的載人登月計(jì)劃,力圖依靠自身強(qiáng)橫的科技實(shí)力,一舉奪取這場航天競賽的勝利。美國先后發(fā)射了“先驅(qū)者”、“徘徊者”、“勘測者”等月球探測器,實(shí)現(xiàn)了月球表面硬著陸,開展了地月空間的環(huán)境探測,獲得了更為精確的月球天文參數(shù),為后續(xù)的載人登月任務(wù)打下了基礎(chǔ)。1969年7月20日,阿波羅11號最終將阿姆斯特朗和奧爾德林送上月球,實(shí)現(xiàn)了載人登月的偉大壯舉。阿姆斯特朗在登上月球后留下一句至今仍被世人銘記的話:“這是個(gè)人邁出的一小步,但卻是人類邁出的一大步?!?/span>
Magnificent Desolation: The Apollo 11 Moonwalk Pictures(NASA)
從1969年7月至1972年12月,美國宇航員先后成功完成了6次載人登月,把總計(jì)12人送上月球,總共帶回381.7千克月球樣品。與此同時(shí),蘇聯(lián)成功實(shí)施了月球車和無人采樣返回任務(wù),從1970年9月到1976年8月,蘇聯(lián)的月球16號、20號和24號先后3次成功在月面軟著陸,并將成功采集到的幾百克月壤送回地球。
當(dāng)月亮向普通人逐漸敞開懷抱
在1976年蘇聯(lián)“月球24號”任務(wù)結(jié)束之后,全球探月活動進(jìn)入了冷靜思考階段。1976~1994年,全球只進(jìn)行過1次成功的月球探測活動,即日本在1990年1月發(fā)射了“飛天號”月球探測器,成為第3個(gè)探測月球的國家。其原因是:隨著冷戰(zhàn)形勢的緩和,對空間霸權(quán)的爭奪有所緩解;需要總結(jié)探測活動耗資大、效率低、探測水平不高的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn),提出新的探測思路和戰(zhàn)略;需要將月球探測技術(shù)向各領(lǐng)域轉(zhuǎn)化、推廣和應(yīng)用;需要加速研制新的空間往返運(yùn)輸系統(tǒng)和高效探測的裝備;需要較長時(shí)間進(jìn)行探測資料的消化、分析與綜合,將月球科學(xué)研究提高到更高理性認(rèn)識的階段。
而美國在1994年1月25日發(fā)射的“克萊門汀號”環(huán)月探測器則真正掀起了世界第二輪探月高潮??巳R門汀號于當(dāng)年2月6日進(jìn)入環(huán)月軌道,最終運(yùn)行于月球極軌道,對月球全球進(jìn)行了測繪。探測器共發(fā)回了180萬(也有報(bào)道是160萬)幅圖片,探測數(shù)據(jù)表明,月球上存在著水冰。這一發(fā)現(xiàn)使得月球的價(jià)值陡然上升。
在其后的逐月之路上,除了傳統(tǒng)的美國、俄羅斯,中國,印度,日本,歐空局,韓國等國家都取得了不俗的成績,還有以色列,阿聯(lián)酋等國家也在不斷嘗試,加入賽場。月球成為各國爭先探測的熱點(diǎn)。
其中我國的“繞”、“落”、“回”三步走探月工程無疑取得了最為卓著的成績。2013年12月,隨著“嫦娥三號”在月面成功實(shí)施軟著陸。中國成為繼美蘇之后,全球第三個(gè)實(shí)現(xiàn)月球軟著陸的國家。而嫦娥四號探測器自主著陸在月球背面預(yù)定區(qū)域內(nèi),實(shí)現(xiàn)人類探測器首次在月球背面軟著陸,做到了國外沒有做過的事。2020年12月17日,嫦娥五號攜帶月壤安全返回地球著陸場,標(biāo)志著三步走戰(zhàn)略獲得圓滿成功。
嫦娥五號月球車在月球表面登陸。
圖片來源:中國探月
月球上水冰的發(fā)現(xiàn),激發(fā)了美國重返月球的熱情。美國先后又發(fā)射了“月球勘探者”、“月球勘測軌道器”和“月球坑觀測與感知衛(wèi)星”、“月球重力恢復(fù)和內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室”、“月球大氣和塵埃環(huán)境探測器”等月球軌道器,通過遙感的方式進(jìn)一步證實(shí)月球上大量水冰的存在,同時(shí)精確測量月球重力場,分析月球稀薄的大氣組成,研究月面塵埃作用,研究了未來探測活動可能對月球環(huán)境造成的影響。
月球探測的光明前景不僅激發(fā)了各國政府的熱情,許多商業(yè)航天公司業(yè)投身于此,使得月球逐漸向普通人張開懷抱,月面著陸探測器也逐漸大行其道。以色列的“創(chuàng)世紀(jì)”、日本的“白兔-R” 和“月球探測智能著陸器”、印度的月船二號、月船三號、俄羅斯的月球25號、美國的“游隼”等月球著陸器先后奔赴月球,嘗試著陸月面。
作為美國“商業(yè)月球載荷服務(wù)(CLPS)”計(jì)劃的成果,2024年還有私營公司計(jì)劃開展5次發(fā)射及月面著陸任務(wù),包括準(zhǔn)備著陸于月球南極的直觀機(jī)器1號和2號,著陸于月球風(fēng)暴洋萊納伽環(huán)形山的直觀機(jī)器3號,著陸于月球危海的藍(lán)色幽靈登月器,著陸于月球南極諾畢爾環(huán)形山的獅鷲1號登月器。
遠(yuǎn)征深空的前進(jìn)基地
月球有著豐富的資源,如稀土、鐵、鈦等,但由于開礦成本太高,所以人們目前主要關(guān)注月球的太陽能和氦-3資源。月球沒有大氣包裹,每年到達(dá)月球的太陽光輻射能量相當(dāng)于地球每年消耗能源的25000倍。除了太陽能,月球的土壤里還有103萬-129萬噸的氦-3資源,這些氦-3如果作為核聚變原料進(jìn)行核聚變發(fā)電,可以解決人類社會未來一萬年的能源需求。
同時(shí),月球作為距離地球最近的唯一天然平臺,其高遠(yuǎn)的空間位置、特殊的空間環(huán)境、特有的自然資源對地球和人類社會的發(fā)展具有不可替代的價(jià)值,并可能將成為去火星或深空探測的中轉(zhuǎn)站。由于月球的引力只有地球的六分之一,因此在月球上發(fā)射火箭消耗的能量比在地球上要低很多。再加上水冰的存在,使得在月球制造、補(bǔ)充火箭推進(jìn)劑成為可能,月球中轉(zhuǎn)站的前景更加可期。
月球探測工程技術(shù)的優(yōu)化、二次開發(fā)能帶動和促進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)和高科技的發(fā)展,如空間天文學(xué)、空間物理學(xué);新能源技術(shù)、新材料技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、遙測技術(shù)等,帶動多學(xué)科交叉、滲透,并促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。
月球探測是一項(xiàng)復(fù)雜的科技大工程,是一個(gè)國家的國家意志、科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平和現(xiàn)代文明的重要標(biāo)志。通過月球探測工程不但能夠提高人類對于宇宙及自身生存環(huán)境的認(rèn)知,而且還能夠極大地激發(fā)科技創(chuàng)新,帶動大批高新技術(shù)的跨越發(fā)展。放眼國際,新一輪載人登月任務(wù)正在拉開大幕。美國已經(jīng)開啟了阿爾忒彌斯計(jì)劃,準(zhǔn)備建立月球空間站重返月球。我國的載人月球探測工程登月階段任務(wù)也已啟動實(shí)施,計(jì)劃在2030年前實(shí)現(xiàn)中國人首次登陸月球。
為了實(shí)現(xiàn)人類長期的月球駐留,我國還計(jì)劃建立月球科研站,進(jìn)行較為全面的大規(guī)模的科學(xué)探測、技術(shù)實(shí)驗(yàn)、月球資源開發(fā)和月球環(huán)境利用。其中,嫦娥六號任務(wù)計(jì)劃于2024年實(shí)施,主要任務(wù)是到月球背面采樣,并攜帶月球樣品返回地球。嫦娥七號計(jì)劃于2026年將去月球南極尋找月球存在水的證據(jù),嫦娥八號計(jì)劃于2028年配合嫦娥七號在月球南極建立國際月球科研站的基本型,對月球資源勘探和利用等進(jìn)行一系列試驗(yàn)。
未來,月球南極將出現(xiàn)多國參與的國際月球科研站,人類的足跡將再次踏上月球。擁有豐富資源的月球?qū)⒊蔀槿祟愰_拓太空的新領(lǐng)域、走向深空的前哨站。
作者:于遠(yuǎn)航 北京宇航系統(tǒng)工程研究所高級工程師
審核:龐之浩 全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家,中國空間科學(xué)傳播專家工作室首席科學(xué)傳播專家
出品:科普中國
監(jiān)制:中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、中科數(shù)創(chuàng)(北京)數(shù)字傳媒有限公司
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