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欧阳自远院士:嫦娥工程月球应用科学首席科学家
化工经理人CHEM.ICXO.COM ( 日期:2007-10-29 15:44:35.0)

[化工经理人chem.icxo.com],中石化航天润滑油助力“嫦娥一号”

   从阿波罗到嫦娥

  慧聪网化工讯: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

  “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?”

  新一轮的太空热潮将是人类重返月球,乃至于藉此登陆火星

  “苏联第一次实现了绕月飞行,第一次发射了月球着陆器和月球车,第一次用无人探测器从月球自动取样返回,第一次拍到了月球背面的照片,他们还命名了月球上一半的地名;美国‘阿波罗’登月计划的实现则是人类的伟大壮举,它让人类的足迹第一次踏上了另外一个星球。”

  这是“嫦娥工程”月球应用科学首席科学家、中国科学院地球化学研究所研究员欧阳自远院士在接受《航天员》杂志采访时,对上世纪月球探测的评论。

  近400年前,伽利略用自制的望远镜发现了月球表面的环形山,成为近代开始认识月球的第一人。此后的350年间,人类更多地仰望、猜想着这个距离地球最近的遥远星球。

  直到1957年第一颗人造卫星上天,1961年,年仅27岁的苏联宇航员尤里·加加林成为第一个进入太空的人,人类开始把观察月球的视角一点点拉平,并且最终把人类的行迹刻印在它的表面。

  迫于竞争的压力,美国总统肯尼迪向国人许诺,要“在60年代结束前”把人类送上月球。

  1967年1月27日,在肯尼迪航天中心的一次训练活动中,“阿波罗”号太空舱内因电线短路引发火灾,三名宇航员无法逃离,不幸遇难。1969年7月3日,苏联

  火箭在升空200米后,一个金属部件因晃动而松脱,几秒钟后,这个装满燃料的2800吨庞然大物落回地面,炸毁发射场地。

  但人类没有因此而退却。1969年7月20日,美国宣布成功登月。肯尼迪最终兑现了他的诺言,尽管付出了不斐的代价。三年后,“阿波罗”号飞船于1972年12月完成了它最后一次登月飞行。

  据统计,从1958年到1976年,苏联和美国一共向月球发射了95颗探测器,但完全成功的只有42颗。北京大学地球与空间科学学院焦维新教授把这一阶段称之为“人类探月的第一个高峰期”。

  “这个阶段的探月有两个特点:第一,政治色彩比较浓,多从政治竞争的角度考虑问题;第二,科学目标不是很明确。”焦维新说,“当时,苏联在载人航天和月球探索方面都处于领先。美国人意识到太空竞赛只有第一,没有第二,于是提出了载人登月计划。目的就是为了超过苏联。最终看来,苏联赢得了开始,美国笑到了最后。”

  此后的16年间,探月进入了短暂的寂静期。在此期间,人类没有再发射一个专门的探月器,只有过几次“顺访”。

  至于出现寂静期的原因,焦维新认为主要有三:第一,原来的政治竞争分出了胜负,没有必要再争下去;第二,经过长达18年的探测,获得了大量的数据,科学家需要时间处理,在完成之前难以提出新的科学目标;第三,由于耗资巨大,美国放弃登月计划,兴趣转向建造航天飞机,苏联则忙于搞空间站的研制,开始走上不同的太空探索方向。

  1981年,航天飞机首度亮相时曾被誉为一项科技奇迹。但2003年,“哥伦比亚”号航天飞机在重返大气层时解体,让美国人逐渐认识到载人航天飞机的缺陷。

  太空历史学家约翰·洛格斯登对美国《国家地理》杂志说:“航天飞机是一种超前的产物,充满着阿波罗计划的傲慢自大。最终,航天飞机时代会被看作是太空探索能力发展过程中的短暂过渡。”

  据悉,美国航天飞机将于2010年底完成为空间站运送部件的任务后退役。航天飞机时代的结束意味着近地太空探索的暂告段落,新一轮的太空热潮将是人类重返月球,乃至于藉此登陆火星。

  作为替代,乔治·W·布什总统在2004年出台了新的“太空探索计划”。即到2020年时,要让美国宇航员重返月球建立永久性的基地,并最终把宇航员送上火星。这可能会在20年内完成,预计将耗资2170亿美元。

  为此,美国宇航局已开始建造新的航天器——“猎户座”,它计划于2018年开始登月之旅。

  很快,英国、德国也公布了自己的第一次月球探测计划。日本则计划2011年实现月球软着陆。印度宣布2008年发射绕月探测卫星。俄罗斯也不甘示弱,计划2009年发射绕月探测卫星,还有巴西也要探月。

  此时,中国的“嫦娥一号”,也将中国送至新一轮探月队伍之中。但与上世纪的探月热潮不同,焦维新认为这一轮热潮的科学目的更加明确。

  “重返月球是在新的技术条件下,重新对月球进行整体性的探测,这些技术包括新的运载技术、新型飞船和高级探测技术。”焦维新说,“重返月球不光是取回一些样品,而是要对月球进行深入的研究。同时开发和利用月球资源,建立月球基地,以月球为跳板逐步开展深空探测。”

  日本发射的月球卫星就是以日本的名著《竹氏物语》中的女主人公的名字——“月亮女神”而命名的,她是美丽的竹子所生,竹林里的竹取翁夫妇将她抚养成人。她是一个亭亭玉立,美丽聪慧的绝代佳人,无数个富人家的公子哥向她求婚,都被她一一拒绝,值此难办之时,玉皇大帝召她上天宫,8月15日,花好月圆这天,她飞往天宫(月球),成为月球女神,也被誉为美竹公主。

  日本1990年就发射过月球轨道器“羽衣”,此外还研制过LUNA-A月球探测器(因设计得不够合理,所以计划改动频繁;此外,国内无法及时提供发射用运载火箭,致使卫星的部分器件失效而报废),对掌握卫星研制提供了经验。日本重视科学卫星及其观测仪器的研制与应用,研制和发射了搭载X射线、等离子体、电波、各种光谱、磁场观测等仪器的卫星为“月球女神”积累了经验。正在返回地面的小行星探测器“隼鸟”的研制与应用也为月球卫星的研制提供了经验。

  “月亮女神”(SELENE)计划是.继美国发射阿波罗飞船28年后最为庞大的一次月球探测活动,卫星在轨道上将执行6个方面的观测和调查研究,多于迄今各国发射的月球卫星。卫星在轨道上弹射出两颗小卫星,使卫星的通信更为畅通且减少延迟;也使卫星不仅实现了对月球表面重力场进行测量,还可对月球里侧的重力场进行测量,使获取的信息量提高了许多。

  6项飞行任务包括:

  月面勘测:利用星上搭载的荧光X射线分光光度计和γ射线分光光度计调查并获取月球表面的组成元素;利用月面摄像机等对月面进行摄像,根据一幅幅照片的颜色等判断月面的岩石分布情况;利用分光仪调查月面岩石的种类。

  判断月球的地形和内部结构:利用月面摄像机等仪器进行摄像,获取月面地形信息;利用月面雷达探测器调查月表下2~5米的地层情况并判断断层情况;利用激光雷达高度计调查月球地形以及标高,绘制月球地图。

  调查月球环境:月球磁场观测装置测量月球磁场;利用粒子辐射测量仪测量月球上的宇宙射线以及在月球上的火山活动情况;利用

  等离子体观测装置测量月球周围的等离子体分布状况;利用射电科学观测装置获取月球附近电离层的分布状况。

  测量月球的重力场分布情况:利用中继器测得月球里侧的重力场分布情况;利用月球表面射电源测得月球表面的重力场分布情况。

  从月球上调查地球:利用等离子体成像仪对地球极光进行摄像等。

  利用高清晰度摄像机在地球出现在月球表面时对地球摄像。

  这些信息的获取将为了解月球、研究月球、从而更好地开发月球、利用月球发挥重要作用。

来源:新浪
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