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第11章 中国人的探月梦(1)

在20世纪六七十年代,美国人和前苏联人分别开展探月方面的活动,其中美国宇航员多次登上了月球。而且在21世纪的新阶段又兴起了月球探测和绕月方面的热潮,技术上也有新的进展,我国为适应这种形势的需要,也为了发展国家高科技技术形势的需要,在经过长期准备、10年论证,于2004年1月正式立项了探月计划——“嫦娥工程”。该工程目前主要集中在绕月探测、月球三维影像分析、月球有用元素和物质类型的全球含量与分布调查、月壤厚度探查以及地月空间环境探测。

“嫦娥奔月”是一个在中国流传古老的神话故事,这个神话故事也证明了中国人的探月梦已远远不止几十年,而这一梦想最终在2007年10月24日得以实现。

迈出深空探测第一步

我国是世界上最早对月球运行进行科学观测和记录的国家之一。公元前14世纪,中国殷朝甲骨文(河南安阳出土)中已有日食和月食的常规记录。明朝以前,我国对日月运行的观测、研究和认识达到了很高的水平,以对日月运行认识为基础编制的历法一直领先于世界,还发明了一系列精巧的天文观测仪器。明朝中叶以后,欧洲科技的发展突飞猛进,对月球的科学认知水平很快就超越了我们,从对月球的远距离观测逐步走向全面的科学探索。

中国人的探月梦“阿波罗11”号成功登月在20世纪50年代末至70年代初,美国和前苏联两国在冷战期间凭借自己在航天领域的优势,展开月球探测的竞争,共向月球发射了100多枚探测器。1969年7月,“阿波罗11”号更是实现了人类的登月之梦。从“阿波罗11”号飞行中人类在月球上迈出第一步,到“阿波罗17”号飞行中人类迈离那里的最后一步,月球上共留下了12名美国宇航员的足迹。这一时期美、苏两国在月球探测中取得了辉煌的成就。

航天探测能力是一个国家综合国力和科技水平的体现。1959~1976年,随着月球探测卫星的出现,美、苏两个空间大国在月球探测领域展开了激烈的竞争。10余年中,两国开展了飞越月球、硬着陆、月球轨道飞行、软着陆、无人登月取样返回地球、载人登月取样返回地球等一系列月球探测活动,极大地带动了各自国家科学技术的迅猛发展。

随着冷战形势的缓和,在历经18年月球探测活动的冷静思考后,20世纪90年代,世界各航天大国重返月球的热潮迅速兴起。我国作为一个世界大国,不能长期脱离这种现实与趋势。自1970年4月24日成功发射第一颗人造地球卫星以来,我国的运载火箭、应用卫星和试验飞船技术有了飞速发展,特别是载人航天取得了历史性的成功与突破后,开展月球探测,填补我国在深空探测领域的空白,对推动我国科学技术整体水平的提升,提升综合国力、增强民族凝聚力、培育国民开拓创新精神等都有重要意义。

2007年10月24日,“嫦娥1”号成功升空,开始了中国人对月球的第一次探测。这是我国继实现应用卫星和载人航天飞行之后,在空间科学和航天技术进步方面新的里程碑。

月球探测的开展,将是我国迈出深空探测的第一步。

知识点深空探测

深空探测是在卫星应用和载人航天取得重大成就的基础上,向更广阔的太阳系空间进行的探索。主要有两方面的内容:一是对太阳系的各个行星进行深入探测,二是天文观测。

随着21世纪的到来,深空探测技术作为人类保护地球、进入宇宙、寻找新的生活家园的唯一手段,引起了世界各国的极大关注。通过深空探测,能帮助人类研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状,进一步认识地球环境的形成和演变,认识空间现象和地球自然系统之间的关系。从现实和长远来看,对深空的探测和开发具有十分重要的科学和经济意义。深空探测将是21世纪人类进行空间资源开发与利用、空间科学与技术创新的重要途径。

探测月球给我们带来的意义

探测月球对我们有什么意义?这是许多中国的普通老百姓所追问的问题。中国科学界也不乏争论的声音。月球探索真的对我们毫无意义吗?事实并非如此,它所带来的七大利益可以预见。

维护我国月球权益的需要

尽管1984年联合国通过的《指导各国在月球和其他天体上活动的协定》(简称《月球条约》)规定,月球及其自然资源是人类共同财产,任何国家、团体和个人不得据为己有。但是,当前世界主要航天大国和国际组织正加紧实施月球探测计划。作为联合国外空委员会的成员国,我国只有通过开展月球探测,并取得一定成果,才具有履行《月球条约》和分享开发月球权益的实力,维护我国的合法权益。

月球是人类研究宇宙和地球本身的最佳平台

科学界认为,通过对月面上没有人为改造和破坏的这些优越条件研究月球,了解月球的成因、演变和构造等方面信息的研究,有助于了解地球的远古状态、太阳系乃至整个宇宙的起源和演变;有助于搞清空间现象和地球自然现象之间的关系,可以极大地丰富人们对地球、太阳系以至整个宇宙起源和演变及其特性的认识,从中寻求有关地球上生命起源和进化的线索。

促进科技的进步和发展的重要载体

开发月球是空前艰巨的事业,需要解决一系列难题,这必然会带动诸如大推力火箭、巨型航天器、高速飞行、人工智能、计算机、机器人、加工自动化、精密仪器、遥感作业、通信、材料、建筑、能源等工程技术以及空间生物、空间物理、空间天文等科学技术的突飞猛进。

为开发利用月球资源做准备

月球岩石据以往的探测,月岩中含有地壳中的全部物质元素,约有60种矿藏。在月球岩土中,含丰富的氧、铁、镁、钙、硅、钛、钠、钾、锰等物质。此外,月球上有丰富的能源,尤其是月球上的氦-3是地球上所没有的核聚变反应的高效燃料。据估计,在月壤中氦-3的资源总量可以达到100万~500万吨,能够支持地球7000年的需电量。

促进深空探测

月球表面的引力只有地球表面的1/6,航天器如果从月球上起飞,可大大节省能源。月岩土壤中氧占40%,可以就地生产推进剂和作为受控生态环境和生命保障系统的氧气来源:硅占20%,可以为航天器制作太阳电池阵,其他金属可以为航天器制作各种部件设备,也可将月球做中转站,为过往的航天器进行检修和补充燃料。

进行天文观测和研究的平台

月球表面的地质构造极其稳定,月球直接承受太阳的辐射,没有大气层对光线和电波的吸收、散射和折射等干扰,没有尘埃污染,没有磁场,月球的背面没有人造光源和射电的干扰,地震很微小。同时,月球有漫长的黑夜,黑夜温度极低。这种环境为建造高精度天文观测台提供了理想的场所。

推动经济发展

开发月球,可以产生难以估量的经济效益,而且其他技术的二次开发应用,势必促进工业的发展与提升。

中国绕月探测工程总指挥栾恩杰对此做了精辟科学的说明,他对月球的探索、开发、利用分成了3个步骤进行解释。简单可用三个字概括,即“探、登、驻”。“探”就是探月,对未知的月球先要有所了解,探索掌握必备的信息;“登”就是登月,人类能够登陆到月球上去,近距离地接触月球资源并安全返回;“驻”就是驻月,指设备或人类能够短期或中长期驻扎在月球,实现对月球资源的开发或居住的梦想。其中,“探月”又可分为3个时期,即“绕”、“落”、“回”。一期“绕”就是发射一颗围绕月球转的卫星,在离月球表面200千米高度的月球极地轨道开展科学探测;二期“落”就是选准地方落到月球表面,利用月球巡视车进行探索工作;三期“回”就是采集一些样品返回地球。

“嫦娥1”号成功升空月球是研究天文学、空间科学、地球科学、遥感科学、生命科学与材料科学的理想场所。

我们有理由相信,“嫦娥1”号卫星的探月成功,只是中国迈入深空探测的第一步。随着月球探测的开展,将有助于人类对月球、地球和太阳系起源及演化的研究,特别是对于月球科学中的一些基本问题,如月球的形成过程、月球的早期演化史、月球矿产的形成与分布特征、地—月系统的形成与演化、月球与地球及类地行星的比较研究以及它们各自的共性与特性等,只有通过新一轮的探测,才能获得较系统和深入的认识。

艰难的4个台阶

2003年,中国继美国和前苏联之后,成为第三个用自己的火箭将人类送入太空的国家。

既然“神5”、“神6”都走了一趟回来了,“再加把劲儿不就到月球了吗?”很多人都这么想。

登月之前,我们还有“艰难的台阶”要去登,概括起来主要有4个台阶。

第一个艰难台阶——火箭运载能力

目前,我们的火箭送几吨重的东西到太空没问题,“长征”系列火箭现在最大载重20吨(美国宇航局制造中的“阿瑞斯1”号火箭预计运载力125吨)。能到达的距地球最远距离为7万千米,而月球距地球38万千米,让登月飞船要往返将近80千米的行程上,必须有更多燃料、更大推动力,光抵达月球轨道就要需要好几级火箭,以“长征3”号甲目前的能力,恐怕是还不能完成这样的任务。正在研制的“长征5”号的目标是70吨的运载能力,届时将能解决奔月的问题。

当飞过云的问题解决后,进入月球引力区时,要解决能及时踩“刹车”问题,“刹”晚了就会撞到月球上,而“刹”早了就会失控飘向太空。飞过去了,也刹住了。但选择正确的轨道也是难题之一,既不能碰着月球,也不能飞过去。

第二个台阶——观测和监控

合格的宇航服是探月必备装备飞往月球的探测器中途将有短时长信号与地球中断(即时入盲区),这时的飞行器会处于极度危险中。还有地球24小时自转1圈,月球27天绕地球公转1周。这时会发生中国国土所在的那部分地球转到背向月球的时候,怎么办?那时候不仅无法观测到探测器,连发送指令也不可能。这些问题是我们测控需要面对的问题。美国在解决测控时比我国容易,其在全球建了3座测控站:本土加州、澳大利亚堪培拉和西班牙马德里,每隔120度建1座,无论怎么转,总有一个站能观测到,除了这3个,它还有数座直径分别为70米、36米和26米的接收天线,别说月球,连太阳系都能探测了。我国能用的测控站仅有2个:上海佘山一个、乌鲁木齐一个,接收天线直径都只有25米。要想解决384万千米的无线电波传送,目前还有困难。

第三个台阶——服装

这也是最难的一个:探测卫星也好,航天员也好,都要穿上特殊“衣服”才可能探月、登月。这衣服得热的时候不热,冷的时候不冷。这衣服可不像咱们普通人穿着那么简单,卫星绕着月球转,月球绕着地球转,地球又带着月球和月球旁的卫星绕着太阳转,这么复杂的邻里关系造成的一个结果就是冷热变化巨大(相差600摄氏度),搞不好,不但卫星上所有设备会得“感冒”,宇航员也会面临巨大生命危险!现在杨利伟、费俊龙、聂海胜等航天员所穿的宇航服根本就满足不了月面上的要求。这个问题若不解决,中国的登月宇航员根本就不能在月球上生存。

第四个台阶——安全返回

让登月宇航员绝对安全返回更是不小的挑战。任何一个小小的失误都将导致致命的灾难。1969年7月16日,“阿波罗11”号载着3名美国宇航员第一次成功登月。但这个举世闻名的登月行动差一点毁于灾难:当宇航员结束2小时的月球的行走之后,竟然发现登月舱引擎开关没有合上。原来,在狭小的登月舱里,宇航服刮断了启动引擎的极为关键的一个电路开关。如果开关合不上,他们将永远留在月球上。当时尼克松总统准备了一份演讲稿:“命运注定这些和平探索月球的人,永远安息在月球上。”这一“备用悼文”差点成为现实,万幸的是,宇航员用圆珠笔接通电源,成功化解危机,最终逃过劫难。

登月发射基地也是问题

中国将来的载人登月发射基地也是问题。卫星发射基地最理想的场所是海上或者海边,在运输和安全方面都有优势,现在西方的几个大国卫星发射基地大多数都临海,俄罗斯是没有办法才放在西伯利亚荒无人烟的地方。中国现在的3个发射场,都是特殊年代适应冷战需要和安全保密的产物。将来火箭大了,现有的三个发射场(包括西昌在内)都不能满足运输和发射安全方面的需要。中国已计划在海南岛建一个新的发射场,可用于载人登月的发射基地。但是,这个设想要变成现实还需要很长的时间。

知识点中国三大卫星发射中心

酒泉卫星发射中心

中国酒泉卫星发射中心,隶属于中国人民解放军总装备部,主要承担运载火箭、卫星、飞船等各种航天器的发射试验任务,是中国建设最早、规模最大的综合发射场,被誉为“中国航天第一港”。

太原卫星发射中心

太原卫星发射中心始建于1967年。坐落于山西省的西北部,距离太原市284千米。太原航天发射场可以发射多种卫星,已成功发射了所有中国产的太阳同步轨道气象卫星和12颗美国的铱星。

西昌卫星发射中心

西昌卫星发射中心始建于1970年,隶属于中国人民解放军总装备部,是中国目前对外开放中规模最大、设备技术最先进、承揽外星发射任务最多、具备发射多型号卫星能力的新型航天器发射场。

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