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“嫦娥五号”预计今年年底发射,中国的探月是如何开展的?专访中国探月工程首任首席科学家欧阳自远

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欧阳自远院士在作报告。李维思 摄

本文刊载于《三联生活周刊》2019年第26期,原文标题《探月是深空探测的开始》

欧阳自远,著名的天体化学与地球化学家,中国月球探测工程首任首席科学家,被誉为“嫦娥之父”,中国科学院院士、第三世界科学院院士,国际宇航科学院院士、中国科学家协会荣誉会长。1956年毕业于北京地质学院,1960年中国科学院地质研究所矿床学研究生毕业。现任中国科学院地球化学研究所研究员,国家天文台高级顾问;北京大学等16所大学客座教授,天津理工大学和贵州大学名誉校长;四种科技期刊主编,四种副主编与十种编委。曾任贵州省科学技术协会主席,中国科学院资源环境科学局局长,贵州省人大常委会副主任。

按照计划,2019年年底“嫦娥五号工程”将实施,与四个“姐姐”单程绕月和落月并开展科学探测不同,“嫦娥五号”实现月面软着陆后,不仅要开展月面探测活动,还要利用电铲铲取月表土壤样品和钻孔岩心取样,并将其取得的全部样品带回地球。届时,我国探月工程“绕、落、回”三期任务将画上一个句点。

“中华民族的伟大复兴只有自力更生、自主创新这一条路,没有别的路可以走!我们中国人要咬紧牙关,争口气,要有探测月球的能力并把中国人送上月球!中国不能止步于月球,还要飞得更远,探测整个太阳系!”日前,应福州大学邀请,探月工程首任首席科学家欧阳自远院士在该校“嘉锡讲坛”活动中为青年学子作了题为《中国的探月梦》的报告。

记者/王珊

认识月球

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大家比较了解的天体有两个,一个是太阳,它给地球以光明和温暖,使我们整个地球生机勃勃、万物生长;另一个就是月球,它激起人们无限的遐想,中国的农历,就是根据月亮的运动周期编制出来的,为我们古代农耕社会的发展做出了巨大贡献。

中国探月工程的首任首席科学家欧阳自远

月亮在我们中国人的心目中象征着宁静、温馨、和谐以及思亲和团圆。我们国家有很多诗词歌赋赞美月亮,寄托情思,例如,“但愿人长久,千里共婵娟”。婵娟就指月亮,像这样表示月亮的词语大概有50多个。

第二次探月高潮

全世界每个民族都有自己的月亮神,全世界各个民族大概有50多个月亮神,且无一例外都是女性,表明古代人类对女性的崇拜与依恋。古人看到的月亮都是有大块黑斑的,人们于是据此想象出了广寒宫、嫦娥奔月、玉兔和桂花树等各种传说。

威尼斯官网网址,三联生活周刊:您曾说过,您为中国开展月球探测做了长期的准备,但是开始研究月球样品与月亮结缘于上世纪70年代末,能否讲讲这种缘分,当时世界范围内对月球的探索是什么样子的?

39亿年前后,月球遭受到大量小天体的撞击,挖掘出巨大的盆地,诱发深部玄武质岩浆的喷发,黑色的熔岩流填平盆地,形成广阔的平原,就是我们看到的月球表面的大块黑斑。根据“嫦娥一号”拍出来的全月球影像图,月球的表面坑坑洼洼,大概有22个大盆地,直径1公里以上的撞击坑大概有33000多个,直径小于1公里的撞击坑大概有几百亿个。

欧阳自远:1978年5月,时任美国总统卡特的特使布热津斯基来华,为中美正式建交做准备,他代表卡特总统向中国赠送了两件礼物:一面中国国旗,一小块月球岩石。他们走后,我们政府希望国内科学家研究一下那是不是月球上的石头。那时,我因为搞过陨石等地外物质研究,就被找去领了任务。那块石头浇铸在有机玻璃里,外形做了一个凸透镜,乍一看挺大的,砸开来只有黄豆大小,大约1克重。我不舍得用完,一半送给了北京天文馆,请他们向公众展出“月亮的石头”,现在还在展出。另外一半,我们花了四个月的时间组织全国的相关实验室进行系统深入研究,最后发现这块石头是“阿波罗17号”载人登月采集的70017-291号月球岩石,属于高钛月海玄武岩,我们相继发表了14篇研究论文,它的形成与演化历史我们都搞清楚了。

其实,我们从古至今看到的都是月亮的一半,站在地球上永远看不到月球的另一半。因为月亮自转一周的时间和它绕地球公转一周的时间一样。所以,月亮的一天就相当于地球的一个月,白天有14天多,晚上也有14天多。

此时,第一次探月高潮刚刚结束。1958年至1976年,在冷战背景下,美国和苏联展开了以月球探测为中心的空间霸权争夺赛。在将近20年的时间里,美国和苏联共发射108枚月球探测器,成功65枚,失败43枚;成功率大约60%,失败率大约40%。1969年7月,美国“阿波罗11号”飞船登陆舱着陆月面,实现了人类首次登月,把人类的第一个脚印踩上了月球。之后,美国一共实现了6次载人登月,12名美国宇航员登陆月球;苏联由于火箭连续失败,没有一位宇航员登陆月球,苏联在竞争中彻底失败。美国宇航员从月球带回月球岩石和土壤样品381.7千克和难以计数的科学数据;苏联三次发射机器自动取样器,一共取得0.3千克月球土壤样品返回地球。

月球的表面积大约3800万平方公里,相当于中国陆地版图的4倍。月球的质量只有地球的八十一分之一,没有能力束缚周围的大气分子逃逸,月球表面属于超高真空状态。月面的超高真空造成两个后果,第一,在月球上没有任何声响,月球是一个死寂、没有任何声响的世界;第二,月球表面没有热传递,表面的日夜温差极大。太阳照到的地方,温度是110-130℃,而太阳照不到的地方,零下130-150℃,温差接近300℃。

苏联解体以后,美国基本停止了对月球的探索,转而开展航天飞机和国际空间站活动,世界上的其他各个国家对探月也不再有什么兴趣,这样的时间持续了有20多年。直到上世纪末本世纪初,包括中国、美国、欧空局、俄罗斯、日本、德国、英国、法国、印度、韩国等在内的十几个国家和机构提出要再次展开对月球的探索,掀起了第二次探月高潮。

月球的内部结构有月核、月幔、月壳。根据月震波波速的测定和重力测量数据,月球的内部有很多残留的巨大质量瘤,表明月球内部能量已经衰竭,温度降低没有能力重熔内部的物质,所以月球是一个临近“死亡”的天体。月球的内禀偶极子磁场在30亿年前已经消失。当今火星的偶极子磁场消失,形成了多极子磁场。在45亿年之后,地球的内禀偶极子磁场也将消失。

三联生活周刊:第二次探月高潮与第一次有什么不同?

关于月球形成的理论有三四十种,但最近几十年,科学家多信奉“大碰撞学说”:在太阳系刚形成不久,地球受到一个火星大小的天体撞击,发生了一场惊天动地的“婚礼”,两个天体撞击产生的一些碎块,在地球外围聚集形成了月球。撞击地球的行星已不知去向,而结果就是地球诞生了一个“女儿”——月球。

欧阳自远:第二次月球探测,世界各国的潮流呈现出一条非常清晰的轨迹——以月球资源、能源和特殊战略地位的探测为主要任务,即由第一次探月高潮的“政治与科学兼具之旅”上升到“太空应用之旅”,开发与利用月球资源与能源,成为月球探测的主旋律。这后面的背景是人类居住的地球正遭受人口膨胀、资源匮乏、环境恶化、生态脆弱、灾害频发等方面的空前压力,在改变人类生活方式以保护地球的同时,向太空开拓生存空间,索取资源与能源,正是人类社会可持续发展不可或缺的远大战略目标。

探月高潮及原因

比如说,2006年,在一次闲聊中,我问过俄罗斯的探月首席科学家加里莫夫院士,俄罗斯探月的终极目标是什么?他回答我说“为了解决全人类的能源问题”。我当时告诉加里莫夫院士,2007年“嫦娥一号”即将发射,我们将要探测全月球土壤层的厚度与分布,获得全月球氦-3资源的分布和资源总量。氦-3是太阳风的重要组成部分,太阳风难以进入地球表面,但可以直接注入月球表面的土壤层中,因而月球表面的土壤层蕴藏有极其丰富的氦-3资源。氦-3是一个稳定的同位素,是未来核聚变发电的主要能源原料。根据理论测算,月球土壤层中氦-3的蕴藏总量有100万~500万吨。

本世纪初,美国、中国、欧空局、俄罗斯和日本等十几个国家都提出重返月球,推动第二个探月高潮的来临,在这一轮高潮中,全球共发射了12个探测器,中国发射三个:“嫦娥一号”、“嫦娥二号”与“嫦娥三号”。各国重返月球的原因我想有如下几个方面:

后来,“嫦娥一号”的微波辐射计,精细测定了月球表面的亮度、温度,计算出月球表面土壤层的厚度与分布,获得全月球土壤层中的氦-3资源分布和资源总量为103万~129万吨。这个数量级别听起来比地球上万亿吨级的煤和石油要少得多,但如果将来人类实现了氘-氦-3核聚变发电,每年只需要100吨氦-3就足以解决全人类一整年的能源需求。月球上的氦-3足以解决人类未来上万年的能源需求。

月球具有重要的军事战略位置,是当代太空战新的制高点。

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月球蕴藏有极其丰富的能源。月球有两种能源,第一种是太阳能,月球的一个白昼是半个月,且半个月面都能接受太阳照射,月球上太阳能的能量密度也比地球大,可以无限制地设置太阳能电池板;有科学家设计在月球的赤道上建设一条长11000千米、宽400千米的太阳能发电板,永远有一半接收太阳照射,把月球太阳能发电的电力传回地球的方式也已解决——用激光或者微波传回地球。这样一来,人类子孙万代的能源问题都可以解决。第二种能源是受启发于太阳。太阳上不断进行大规模持续的氢弹爆炸或者核聚变是其能够光芒万丈的原因。人们根据氢弹的机制造人造“小太阳”,全世界造出了200多台,中国有两台,一台在安徽,一台在成都。另外中国参加了国际热核反应堆计划,是国家重大专项之一。美国在2009年耗资24亿英镑将核聚变的点火装置研制成功,宣称到2050年将有四分之一的美国能源由核聚变来提供。这个点火装置的使用需要氘、氚作为原料,氚是放射性核素,氘、氚反应后产生中子,不利于防护。科学家建议用同位素氦-3替换,氚太阳风把氦-3注入地球、月球,地球的磁层、电离层和大气层阻碍了氦-3的进入,而月球是真空状态,所以太阳风中的氦-3可以长期注入月球的土壤层,因而月球的月壤氦-3含量丰富。假如能够从月球上取回8吨氦-3就能满足中国一年的能源消耗。嫦娥1号第一次探测到全月球土壤层中的氦-3的分布与资源总量,足够解决全世界人类社会一万年以上的能源需求。

2007年10月24日,四川西昌卫星发射中心,”嫦娥一号”卫星发射

月球的环境极为恶劣,超高真空,没有磁场,弱重力,温差极大、极其干燥,但它是洁净的,有很多生物制品、药品和特殊合金正好需要这样的环境制备,还可以做很多科学实验。

无人月球探测:“绕、落、回”

月球蕴藏有极其丰富的矿产资源。

三联生活周刊:中国的探月是如何开始的?

联合国曾规定各国不能在月球殖民或占有土地,但是月球谁先开发谁先获利,中国之前没有能力到达月球,讨论月球的问题没有中国的席位,没有中国的任何话语权,但现在不一样了,中国能够到达月球,能够有自己的发言权,能够维护中国对月球的合法权益。

欧阳自远:1992年,我国“载人航天”项目国家批准立项。我是1993年通过中国空间技术学会向“863计划”专家组提出中国开展月球探测工程的建议的,大的背景就是刚才提到的一点。另外一个情况跟我们国家的经济实力、技术能力和科技队伍的增强和提高也有关系。“863计划”专家组要求递交一份正式申请立项的报告。几个月后,项目得以批准,我承担的任务是提交《中国开展月球探测的必要性和可行性研究》报告,给了2.5万元经费,研究期限是1~2年。

咬紧牙关,自力更生上月球

这份报告要说清楚的第一个问题,就是我们国家有没有必要做这件事情,或者是不是推迟等国家富强了再做,因为月球探测这一块牵扯面太多,用钱也会很多。我从国内的科学积累到人才队伍进行了论述,并指出我国的探测器系统、运载火箭系统、发射场系统、地面测控系统和地面应用系统是能够承担探月的任务的。评审时,专家委员会认为月球探测工程不仅不会拖我们国家经济建设和国家发展的后腿,相反,还有能力推动科技进步、经济发展和人才队伍的成长。评审专家们的一致意见是,中国开展月球探测非常有必要,完全有可能!

我们中国月球探测已经制定长远规划,第一步无人月球探测,第二步载人登月,第三步开发利用月球。预计在2020年以前,完成全部无人探测

不过,在项目后续论证的过程中,开始有反对的声音出现。有人认为国际上已经接近20年没有任何国家探测月球了,美国的“阿波罗计划”后来也没有了声音,可见劳民伤财,得不偿失,既然如此,中国为什么还要走别人不走的老路呢?也有人认为,中国真要进入深空,那就盯住火星探测,不要炒冷饭。第三种看法则是从经费上考虑的,认为国家航天的蛋糕就这么大,探月工程再切去一块,别人还吃什么?既然有兴趣搞太空探测,可以利用过去已发射的卫星对太阳系进行观测。但这样的观测其实就是在绕着地球转的卫星上看太阳系,而不是直接到太阳系各层次的天体上进行科学探测。这口气就有点像忙着打麻将的大人跟身边凑热闹的孩子说:“你要玩,自己一边玩去,打打游戏,看看电视都成。”

在中国嫦娥工程的实施过程中,十几万个元器件不可能全部自己制造。美国宣布不给“嫦娥工程”一个元器件,对中国实行封锁与禁运;欧洲对中国的军事禁运尚未解除,我们可以在日本买到一些,但每一批元器件里面都有一两个不合格的,按照合同必须全部退货、罚款。人家把我们的时间都耽误了!我们领悟了一点,世界上没有哪个国家希望中国强盛,没有哪个国家希望中华民族伟大复兴!中华民族的伟大复兴只有自力更生、自主创新这一条路,没有别的路可以走!这是摆在我们面前的事情,我们中国人要咬紧牙关,争口气,把这个搞上去!

好在,当时绝大多数两院院士都支持开展月球探测工程。王大珩、陈芳允、杨嘉墀三位院士以“863计划”的名义,发表了《我国月球探测发展的建议》,时任全国政协副主席徐匡迪发言说,如果认为不比别人高明就不去做了这种话是不符合实际的,如果按照这样的逻辑,对国外一切先进的东西都不必学习、借鉴、研制,那么我们今天还在坐牛车,住茅草房;而且中国人如果不做的话,那就只能买了,可月球能买吗?月球资源、月球环境能进口吗?

“嫦娥一号”发射的目的是整体性了解月球,把月球探测航天工程的基础设施建设起来,最重要的是通过“嫦娥一号”培养出中国第一支探月队伍,为以后的长远发展打好基础。

我当时自己算过探月一期工程的总经费,大概是14亿元。那时在会上,我经常举一个例子:在北京修建1000米地铁的造价是7亿元人民币,即用在中国进行首次月球探测工程的钱,只需要在北京新建2000米地铁的经费。探月第一期工程我们将建设月球探测的基础设施,圆满完成科学探测任务,培养一支月球探测工程技术队伍和科学研究队伍,为以后的深空探测打好坚实的基础。

嫦娥一号是中国人第一次离开地球摇篮,我们的设计十分谨慎。我们的测控系统有载人航天的测控网和远望号,但是不能满足要求,我们加了四台天文射电望远镜,利用中华人民共和国的国土,构成四个三角形,组成甚长基线干涉测量系统,大大增加了测控系统的精度并解决信号长途传输问题。

三联生活周刊:我国月球探测第一阶段划分为“绕”“落”“回”三期,这些是怎么确定的呢?

我们在科学研究上的要求,总而言之是一句话:凡是别人做过的,我们也必须要做,也一定要比别人做得好;每一次探测一定要有一些创新性的、别人没有做过的科学探测。

欧阳自远:我们当时做了一个《中国月球探测的发展战略和长远规划》。根据我国的科学技术水平、综合国力和国家整体发展战略,以及参考世界各国重返月球的战略目标和实施计划之后,科研人员认为,我国月球探测近期应不以载人为宗旨,是无人月球探测,而不是载人登月。我们当时把中国的无人月球探测阶段分为三期,第一期是“环月卫星探测”,要做的是研制和发射我国第一颗极轨月球探测卫星,计划环绕月球运行一年,对月球进行全球性、整体性和综合性探测,执行工程任务的是“嫦娥一号”和“嫦娥二号”;第二期是“落月探测”,即在月面软着陆,开展着陆器的就位探测与月球车的月面巡视勘察,两种探索方式的结合,在国际上已有的探测方式中尚属首次,执行工程任务的是“嫦娥三号”和“嫦娥四号”;第三期是“采样返回”,这是在“嫦娥二期工程”基础上的一个飞跃,更是后期载人登月工程的一个起点,它的突破在月面采集样品技术、自动钻孔取样技术、返回舱返回地球技术等。我们将这三期工程称为“中国无人月球探测三步走计划”。

以月球影像图为例,“嫦娥一号”2007年发射,我们的立体照相机一个镜头可以有三张不同视角的照片同时连续拍照以得到完整立体图片,卫星转一圈两个小时,等转第二圈、第三圈的时候照片刚好叠加起来,这样我们就把全月面连接起来做成立体图了。这是目前全世界最好的一张全月球影像图和三维立体图,远远领先了之前其他国家的月球影像图。此外,我们还要探测全月球土壤层的厚度,然后根据厚度换算出氦-3的分布与资源总量。为此做了上千张这样的月面亮度温度图,并在欧洲的行星科学大会上公布,大家都很惊讶中国的成就。根据一系列测算,月球大概有一百四五十万吨氦-3,可以解决全人类一万多年的能源需求。嫦娥一号的全部科学探测数据,无偿提供给国内的研究院所和大学研究与利用,一年后无偿提供给全世界的科学家研究与利用。

当然,如果从更长远的探测来看,我们的月球探测则有三大阶段:无人月球探测阶段、载人登月阶段、建立月球基地。时任国防科工委副主任、国家航天局局长栾恩杰听了计划后,他说为了方便公众理解,将第一阶段无人月球探测阶段用简明的“绕”“落”“回”取代,而三大阶段则综合简化为“探”“登”“驻”,并指出三大阶段是人类探测月球的共同途径。

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