院士詳解嫦娥三號探月任務:著陸難度大

　　孫家棟院士

　　歐陽自遠院士

　　葉培建院士

　　嫦娥三號探測器在月球表面的模擬圖。　新華社發

　　核心閱讀

　　12月伊始,嫦娥三號在西昌衛星發射中心發射升空後,將前往38萬公里之遙的月球,目標是落月,也就是無人登月。

　　嫦娥三號任務是我國探月工程“繞、落、回”三步走中的第二步,將實現我國航太器首次在地外天體軟著陸,開展著陸器懸停、避障、降落及月面巡視勘察。如“落月”順利,我國航太相關技術將實現巨大跨越,將為我國深空探測的發展奠定重要的技術基礎。

　　發射前夕,開拓並親歷我國探月征程的孫家棟、歐陽自遠和葉培建三位院士,接受了本報記者專訪,講述他們眼中的嫦娥三號和中國探月曆程。

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　　為什麼在虹灣著陸?

　　——著陸區比較平坦,通訊和光照條件好

　　記者:嫦娥三號的月球軟著陸區目前選定在月球虹灣地區,為什麼虹灣是唯一的選擇?

　　歐陽自遠(首任探月工程月球應用科學首席科學家、中科院院士):嫦娥三號計劃將在月球虹灣著陸。虹灣位於月球正面的西北角,屬於月海區域。月球正面,其實就是月球朝向地球的這一面。由於月球自轉一週和繞地球一週都是約28天,所以地球上的人們永遠只能看到月亮的一半,看不到另一半。又因為月球向著太陽的時間是半個月左右,背著太陽的時間也是約半個月,月亮的完整一天是地球概念的一個月。

　　從地球上看月球的那一半,會看到有幾塊黑斑,古代的時候,人們以為是海,就把它們命名為月海。其實我們現在知道那裏一滴水也沒有,是遼闊的平原。為什麼是黑的呢?是因為月球上有些地方被撞出大盆地,盆地下面有很多岩縫。火山噴發,又把一些坑填平了。黑斑其實大多是石頭,比如黑色的玄武岩。虹灣是大約39億年前砸出來的一個坑,由於形似彩虹的弧形,就把這個月海區域的“海灣”命名為虹灣,大約有400公里長。

　　嫦娥三號在月球著陸,著陸區必須要能跟地球聯繫上,所以一定要降落在正面。而正面的具體位置,第一得通訊好,第二得陽光好,第三是那兒可以研究的問題多,第四是比較平坦,第五是最好別的國家還沒有勘察過。相對而言,之前美國等國家月球探測多在月球赤道附近,高緯度地區不多。根據我們的測控能力,綜合這幾點,最終將著陸地點定在虹灣地區。

　　記者:虹灣的科學意義在哪?

　　歐陽自遠:虹灣這一帶是月球研究的空白,沒有勘察過。我們希望得到這一帶石頭的詳細成分,研究它的成因,把這個地方研究得更精細一點。

　　由於虹灣是預設的著陸點,所以我們繪製了一張解析度為1米的虹灣局部影像圖,目的是要在虹灣地區選擇一些更平坦的地方,有利於探測器順利降落。此外,為了讓嫦娥三號降落時不至於掉到大的月坑,嫦娥二號已用立體相機對虹灣進行了局域超高解析度立體成像,直徑大於3米的月坑清晰可辨。

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　　月球著陸有多難?

　　——安全著陸和度過月夜將是兩大考驗

　　記者:嫦娥三號要在月球著陸,難度到底有多大?

　　孫家棟(首任探月工程總設計師、中科院院士):如果説嫦娥一號是里程碑,那麼嫦娥三號就是跨越式。嫦娥三號採用的新技術超過80%,要實現的任務又非常難。中國人第一次把自己的航太器落在地球以外的天體,並且要落得準、落得好,難度非常大。

　　和地球不一樣,月球沒有空氣,不能靠大氣層摩擦和降落傘的幫忙,降落要有新的思路。落到月球表面的時候,月球“土壤”非常鬆軟,著陸器能不能“站住”,以及落下後月面巡視器也就是月球車能不能平穩地放出去,都要考慮週到。

　　還有個巨大的難點,是怎樣讓著陸器和月球車在月夜熬過極端低溫。月球白天溫度可高達150攝氏度,晚上能低至零下180攝氏度。月球一個晚上的時間長度,相當於地球的14天,所以著陸器和月球車能不能在月球過夜,是個巨大考驗。還得保證月球白天到來後,太陽一照,這兩台機器就能“醒來”。所以説,嫦娥三號基本上是個新的東西,搞工程最難的是,新的東西放在一起配合。我預祝嫦娥三號“落月”成功。

　　葉培建(嫦娥一號衛星總設計師、中科院院士):嫦娥二號最低到過距月球15公里高度,嫦娥三號從距離月面15公里落下去開始軌道怎麼走,這是第一次。為了平穩落下,並落到安全的地方,一方面,探測器上安裝了許多設備,測量速度、距離,觀察並判斷降落位置平不平,這就涉及導航和空中懸停技術。最後幾米要在月面自由落體,實現緩衝,吸收衝擊力,這些都是第一次。而為了保證著陸器和月球車在月球過夜,我們第一次引入了核同位素電池來發熱維持“生存”的最低溫度。

　　主要的技術風險有這三個:著陸地點如何保證落到需要落的地方;如何確保新研製設備的可靠性;如何確保新軟體的使用狀態。這些,我們在地面上都經過了一個個試驗。航太經驗告訴我們,想到的都不會發生,發生的都沒想到。沒有成功之前,我們依然忐忑不安。嫦娥三號成功的話,意味著我們是第三個能夠在月球著陸的國家,也是這幾十年來的第一次。

　　歐陽自遠:針對這些難題,科研人員採用變推力發動機、自主導航控制技術和研發緩衝吸能部件來攻克軟著陸這一難關,並用“原子能電池”保證在寒冷的月夜下著陸器和月球車不被凍壞。而且“原子能電池”不會造成污染,決定使用這種電池時就已經預期到這些問題,電池都是密閉起來的,材料的半衰期也不是特別長。

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　　要在月球上做什麼?

　　——著陸器和月球車將開展探測:觀天、看地、測月

　　記者:月球車會在月球上做什麼?

　　歐陽自遠:嫦娥三號月面巡視器,也就是俗稱的月球車,剛剛在全球徵名中被命名為“玉兔”號。如果“落月”成功,並成功駛離著陸器,“玉兔”號月球車將在月面工作三個月。它擔負承載科學載荷進行月表形貌與地質構造、月表物質成分和可利用資源調查等使命。月球車走得不會特別快,比人們想像的走得慢,時速約200米。它的高性能體現在越障能力和通過性,而不是追求高速度,6個輪子中有4個可以驅動,而且它始終不會離開著陸器的“視野”。

　　著陸器和月球車,會同時開展各自探測,可以形容為“觀天、看地、測月”,這是嫦娥三號在科學上最重要的內容。

　　觀天,是指著陸器上安裝了一台天文月基望遠鏡,進行月基光學天文觀測。這也是人類首次把“天文臺”搬到了月球上。地球上的天文學家最想做的一件事情,就是在沒有大氣、晴朗的月亮上觀測天空、看星星,研究星系、恒星的活動。

　　觀地是指安裝在著陸器上的極紫外相機,將對地球電漿體層進行極紫外成像探測。測月是指安裝在月球車上的測月雷達,探測巡視路線上月壤厚度和結構,以及月殼岩石結構。月球車在月面行走,測月雷達可以測月球地底下30米深土壤層的結構和100米深的次表層結構,這個是國際上之前沒有做過的。

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　　深空首步為何選月球?

　　——通過到月球掌握深空探測等基礎技術

　　記者:月球是我國深空探測的第一步,是因為工程技術上容易實現嗎?

　　孫家棟:2004年嫦娥工程立項,2007年第一顆探月衛星嫦娥一號發射,2010年嫦娥二號衛星又成功探月,做到了經費少、週期短、品質好。我們制定了國家發展深空探測比較符合實際的方案,方案的思想是一步一步離開地球。離地球最近的空間支點是月球,我們有了探測月球的經驗以後,才好逐步地離開地球。月球離地球40萬公里左右,比較便於測試通訊等各種深空探測技術。同時,衛星上天圍繞地球轉,當你離開地球往深空發展,地球、衛星、月球,三者的運動關係就會發生很大的變化。這些,都可以通過到月球來掌握基礎技術再發展。

　　實際上,上世紀90年代,我們的航太技術專家就開始探討探月,同時科學家也在考慮第一步到月球做什麼。科學探測的要求不能太高也不能太低,要結合航太工程水準,還要能夠向前“跨一步”,在當時經濟和科學技術條件下,月球探測是比較切合實際的深空探測計劃。

　　我國的繞月探測工程也就是嫦娥工程共分為三期。一期工程為“繞”,已經由嫦娥一號實現。二期工程為“落”。嫦娥二號是先導星,嫦娥三號是關鍵任務,後面還有嫦娥四號,就是要實現月球軟著陸。三期工程為“回”。要完成上升艙、返回艙、著陸探測器的研製,驗證月面起飛、返回和再入等關鍵技術。

　　歐陽自遠:繞月探測的第一步科學目標就是整體、全面、綜合地了解月球。根據這個目標我們當時提出了嫦娥一號的4個科學目標:探測月面地形地貌,探測月球表面的元素和礦物成分,探測月壤特性,以及探測地月空間環境。嫦娥一號完全實現了既定目標。嫦娥二號原本是嫦娥一號的備份星,但嫦娥一號各項任務都完成得很好,就不需要備份星了,最後嫦娥二號做了嫦娥三號的先導星,也就是去打先鋒,將嫦娥三號的技術難題和大部分落月路線去試驗一遍,看看能不能做到。

　　嫦娥一號的最終歸宿是撞到月球上。嫦娥二號完成任務後,由於燃料剩餘、狀態良好,又給它派了一個新任務,飛到離地球150萬公里以外的拉格朗日L2點去探測太陽。飛離拉格朗日L2點後,又飛越並探測了圖塔蒂斯小行星,開創了我國探測小行星的先河。

　　記者:嫦娥一號當時第一次奔向月球,風險是不是也很高?

　　孫家棟:第一次去月球,風險的確很大。奔向月球並繞月探測,要求軌道設計和計算合理,否則要麼和月球擦肩而過,要麼就是和月球撞一起。嫦娥一號衛星去月球,好比騎馬打兔子,馬跑兔子也跑,騎馬的你還得打槍,難度不可謂不大。當時爭論得很厲害,用大火箭還是小火箭?選的衛星平臺是不是太大了,會不會造成大馬拉小車……最後結果來看,嫦娥一號選了非常合理的技術路線,並實現了4項科學目標。

　　葉培建:地球軌道和月球軌道不一樣。航太器繞著地球轉,大部分在近地軌道,最遠也就七八萬公里。月球距離地球平均38萬公里,我們當時最初具有的最大天線才12米,理論上測不了多遠,因此我們就要把衛星上自帶天線的能力做到極致。前兩次探月,最緊張的時刻是近月時段,嫦娥衛星要近月制動。這時候早了不行,晚了也不行,只有唯一的時刻。如果這個時刻沒有被月球捕獲成為月球的“衛星”,就要過很多天再回來,那時候衛星狀態什麼樣心裏沒底。

　　航太事業高風險,那麼龐大的隊伍搞科研,總會有些問題不知道,或者沒有人告訴你。所以對任何可疑的事情都不能放過。歐陽自遠院士説過一句話,科學家做研究,100次失敗99次,只要有一次成功就是成功,而航太人搞航太,100次成功99次,只要有一次失敗就是失敗。

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　　人類為什麼要探月?

　　——月球有豐富能源資源,探月能帶動大量的技術突破和進步

　　記者:在科學意義上,人類為什麼去月球?

　　歐陽自遠:在技術發展層面,人類探月活動特別是美國阿波羅計劃産生了強大的推動力,帶動了上世紀六七十年代世界高新技術的發展,其影響一直延續到今天,在電腦、通訊、醫療衛生等各個領域都發揮了巨大作用。現在又掀起人類重返月球的高潮,仍然是因為月球有幾個問題非常重要,值得去探索。

　　月球有豐富的能源,這個是全球共識。比如太陽能,月球上的白天接近半個月,月球表面是真空,沒有任何遮擋,可以無限制地鋪設各种太陽能電池板,如果月球上的太陽能轉變成電能以後輸送到地球,將是巨大的能源。另外一種能源是氦3,石油、煤、天然氣等終究要耗光,月球上氦3的資源量據初步估算超過100多萬噸,如果利用,至少可以解決全人類能源的需求一萬年以上。月球的礦産資源也極其豐富。另外,月球上的環境雖然極其惡劣,但是這些極端環境正適合生物製品和新材料的生産。

　　探測月球上的水,也是很時髦的一件事情。雖然月球白天太陽一齣來100多攝氏度,根本不可能有水,但有一些地方永遠照不著太陽,這些永久陰影區裏可能含有水,國際上探月活動通過撞月最後確證月球上存在水、冰。

　　我覺得,中國應該離開地球去探測別的天體,這是科技發展的需要,也能夠帶動大量的技術突破和進步,能培養出一支高素質的航太人才隊伍。嫦娥工程是中國人脫離地球引力離開地球搖籃的第一步,月球是前往深空的第一個門檻。

　　孫家棟:航太讓人感動的地方在於,航太是一片沃土,只要一顆種子進入,會很好的茁壯成長。這背後是集體的力量。

　　航太夢是中國夢的一部分。航太夢是什麼?我認為就是整合尖端技術,為經濟建設、科學技術發展。我現在關心的是,天上取得的成果怎麼“落地”,也就是怎麼和國家的經濟建設更好的結合起來,發揮更大的效益。目前我們的航太成果非常多了,北斗衛星導航系統目前發射了16顆衛星,已開始服務亞太地區,到2020年一共要發射30余顆北斗衛星。這麼大的投資,除了安全需要,還應該更好地服務國民經濟和社會發展。

　　航太事業的重要意義在於,讓人類不僅看到今天,還要看到明天。將來的問題,我們不能到了將來才去解決。