嫦娥四号将奔向月球背面 带你回顾人类探月征程

我国即将发射“嫦娥四号”月球探测器,它将在飞行27天后,着陆于月球背面预选着陆区,成为世界第一个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器。自古以来,人类就对神秘的月球有着极大的兴趣,也在不断探索月球的秘密。今天,我们就一起来回顾人类漫漫的探月征程!

截至2017年底,人类总共发射了132个左右的月球探测器,其中美国60个,苏联64个,中国4个,日本2个,欧洲1个,印度1个,成功率大约为50%,其中早期探月失败很多。在这一过程中,全球月球探测大致经历了三个发展阶段:

探月三步曲

第一阶段为1958~1976年的美苏空间竞赛引发的首次探月高潮阶段。当时苏联和美国展开了以探月为中心的空间竞赛,发射了上百个形态各异的月球探测器,美国还进行过6次载人登月。其主要目的是进行太空争霸,开展空间探索。

第二阶段为1976~1994年的深入研究探月意义的冷静思考阶段。在此阶段只有日本进行过1次探月活动。这一时期把月球探测技术向各领域转化、推广和应用,将月球科学研究提高到更高理性认识的阶段。

日本首个月球探测器飞天号与所携带的造箭室号子探测器(顶部)

第三阶段为从1994年起至今开展的第二次探月高潮阶段。因为通过大量地总结和分析以往探月的经验、教训和成果表明,探月具有多方面意义,对人类社会具有重要的推动作用。美国于1994年1月21日和1998年1月6日分别发射的“克莱门汀”、“月球勘探者”探测器,发现月球两极存在大量水冰,从而进一步激发了人类新的探月热情,于是拉开了第二次探月高潮的序幕。在进入21世纪后,全球探月再掀高潮,并呈现出许多与以往不同的新特点。

美国“月球勘探者”在轨飞行示意图

随着政治、科技和经济等各方面发生的巨大变化,第二次探月热潮与冷战时期开展的第一次探月热潮有明显的不同,比如:

探测月球的目的由冷战时期主要满足政治和科学需要,改变为把科学探索和经济利益相结合,以探测月球资源为主,为未来月球资源开发、利用打基础。

探月的规模更宏大,采用的技术更新。在第二次探月热潮发射的各类月球探测器无一失败,这表明人类的探月技术有了较大提高。

打破了20世纪只有美苏2个国家对月球探测的垄断局面,欧洲、日本、中国、印度和美国等国家或组织都纷纷进行月球探测,并还将有越来越多的国家参与,且逐渐转变成以国际合作方式为主。

采用国际合作的印度月船-1飞行示意图.

随着月球探测技术水平的不断提高,探测月球的方式也越来越多,从而使月球探测的广度和深度不断扩大。从月球近旁飞过或在其表面硬着陆的探月方式已不采用了,现在和可以预见的将来主要采用以下探月方式:

用绕月探测器的方式取得信息,这样能有较长的探测时间并获取较全面的资料。

探测器在月球表面软着陆,以固定或漫游车的方式进行实地考察、拍摄探测和取样分析等。

用载人或不载人探测器在月面软着陆后取得样品返回地球,进行实验室分析。

进行撞击式探测,它与早期的硬着陆不同,是一种新兴起的探测方式,主要是探测月球的内部结构和组成,发挥探测器的余热。当然,也有专用撞击器。

在月球建立永久性载人基地,以开发和利用月球的资源、能源和特殊环境,并为载人火星航行开道铺路。

国外月球探测

在冷战时期,主要是苏美进行以政治目的为主,科学目的为辅的探月竞争。

苏联1959年1月2日发射的月球-1实现了人类首次飞越月球。此后一直到1976年,苏联先后发射了24个“月球”系列探测器,进行了巡视探测、采用返回探测等活动。苏联还发射过“宇宙”、“探测器”系列月球探测器。

苏联研制的世界第1辆能在月面自动行走的月球车

美国早期实施过6个探月计划,即“先驱者”、“徘徊者”、“勘察者”、“月球轨道器”、“探险者”系列月球探测器和“阿波罗”系列载人登月飞船。

美国1966年5月30日发射的勘测者-1着陆器

尽管第1次探月高潮是以政治目的为主,但还是促进了一系列航天科学技术的新发展,带动了一系列新技术的创新与推广应用,大大提高了人类对月球、地球和太阳系的认识,使月球探测取得了划时代的成就。

冷战后,越来越多的国家参与了探月俱乐部,使探月呈现出精彩纷呈的新局面。1990年1月,日本在发射了飞天号月球探测器,打破了美苏对探月的垄断。

1994年1月25日,美国发射了“克莱门汀”月球探测器,获得了当时最详细的月球表面图像,并发现月球南极可能埋有大量的水冰。

美国“克莱门汀”拍摄的月球表面图像

1998年1月7日,美国发射了“月球勘探者”探测器,再次证实月球上有水冰,它在寿命末期撞击了月球南极一座环形山内侧的山壁,以确定是否存在水源。但遗憾的是,实施撞击后未观测到有水蒸气出现,原因有多种。

2003年9月27日上天的欧洲斯玛特-1主要成就有两项:一是试验太阳电推力技术;二是对月球进行研究和绘图。斯玛特-1是世界第1个正式应用太阳能电推进系统飞向月球的空间探测器。

欧洲斯玛特-1扫描月面示意图

2007年9月14日上天的日本月女神-1-由1个主探测器和2个子探测器组成,有些仪器的探测精确度是以往同类仪器的10~100倍。

日本月女神-1于2007年10月31日拍摄的月面照片

2008年10月22日上天的印度月船-1具有体积小、质量轻、造价低、眼神好等特点。其装有1个月球撞击器,并采用国际合作方式。

2009年6月18日,美国用1枚火箭发射了2个月球探测器——“月球勘测轨道器”和“月球坑观测与感知卫星”。前者在距月面50千米圆轨道飞行,分辨率优于1米,为目前世界最高,且仍在工作;后者是世界首个专用撞击式月球探测器,它于2009年10月9日猛烈撞击了月球。

美国“月球坑观测与感知卫星”释放“半人马座”上面级撞击器示意图

目前仍在运行的美国“月球勘测轨道器”

2011年9月10日,美国发射了“月球重力恢复和内部实验室”(简称“圣杯”)。它运行在月球上空50千米的近圆形月球极轨道,由两个一模一样的绕月探测器组成,主要任务是更精确地测量月球的重力场,研究月球的起源和演变。它于2012年底完成使命,进行了撞击式探测。

美国圣杯-A、B在轨工作示意图

2013年9月7日,美国发射了“月球大气和尘埃环境探测器”。其任务是分析月球稀薄大气组成成分,研究月球表面尘埃作用,了解未来月球探测活动可能对月球环境造成的影响,以及月球环境可能会对未来前往探测的人员和探月计划本身有何影响。它还进行了月地激光通信传输试验,通信速率达到以往方式的6倍。2014年4月18日,由于燃料耗尽,它按计划高速撞击了月球背面。

中国月球探测

随着我国经济和科技的不断发展,从2004年起,我国开始实施月球探测工程,即“嫦娥工程”。

“嫦娥工程”采用绕月探测、落月探测和月球采样返回探测,即“绕、落、回”三步走发展战略实施,在工程和科学方面都取得了显著成果。

“绕”:就是发射绕月探测器,对月球进行全球性普查。它原定通过发射嫦娥一号、二号绕月探测器来完成,其中嫦娥二号是嫦娥一号的备份。后来由于嫦娥一号表现出色,嫦娥二号绕月探测器改作探月第二阶段的技术先导星。

中国嫦娥一号绕月探测器

2007年10月24日,我国发射第一个月球探测器嫦蛾一号。它运行在距月面约200千米高的圆形极轨道上,于同年11月20日传回第1幅月面图像,从而竖起了继东方红一号、神舟五号之后,我国航天的第三个里程碑。

在嫦娥一号上有8种科学仪器,用于获取月球表面三维立体图像,探测月表不同物质的化学元素和地月空间环境,首次用微波探测仪测量月壤的厚度。

嫦娥一号拍摄的月面三维立体图

在超额完成各项任务后,为了积累落月过程控制和轨道测定方面的经验,嫦娥一号于2009年3月1日受控撞击了月球丰富海区域。它比原计划多飞117天;飞行期间经历3次月食;传回1.37TB有效科学探测数据。

嫦娥一号获取了世界第一幅全月图,以及月表化学元素分布和矿物含量及月壤分布和近月空间环境等数据,填补了我国在探月领域的空白。

“落”:就是发射携带月球车的落月探测器在月面着陆,对着陆区附近进行区域性详查。它原定通过发射嫦娥三号、四号落月探测器来完成,其中嫦娥四号是嫦娥三号的备份,后来嫦娥二号也用于这一阶段任务,用于突破关键技术。

嫦娥二号通过“俯冲”对嫦娥-3预选着陆区进行高分辨率成像

由于落月探测要突破等一系列关键技术,技术跨度和实施难度较大。因此,为了降低风险,在发射嫦娥三号之前,先于2010年10月1日发射了嫦娥二号。嫦娥二号运行在距月面100千米高的极轨道上,设计寿命半年,分辨率7米,主要完成两大任务:一是对新技术进行试验验证,对未来的预选着陆区进行高分辨率成像;二是获得更加丰富和准确的探测数据,深化对月球的科学认知。

2011年4月1日,嫦娥二号半年设计寿命期满后,进行了拓展试验,例如,2011年8月25日,嫦娥二号在世界上首次实现了从月球轨道出发,受控进入日地拉格朗日2点环绕轨道,使我国成为第3个造访拉格朗日2点的国家和组织。

2012年6月1日,嫦娥二号又成功变轨,进入飞往小行星的轨道。同年12月13日,嫦娥二号与图塔蒂斯小行星“擦肩而过”。它使我国成为世界第4个探测小行星的国家,开创了我国航天一次发射开展多目标多任务探测的先河。

嫦娥二号拍摄的图塔蒂斯小行星

嫦娥三号是探月二期工程的主任务。2013年12月2日,我国成功把嫦娥三号直接送入地月转移轨道。12月14日,嫦娥三号在月面软着陆,首次实现了我国对地球以外天体的软着陆。12月15日,嫦娥三号着陆器与月球车互相拍照,使我国成为世界第3个掌握落月探测技术的国家。它使我国取得了跨越式进步,直接获得了丰富的月球数据,并经受了着陆、移动和长月夜生存三大挑战。

嫦娥三号月球着陆器实景,其上的国旗采用特殊工艺和特殊合成树脂、颜料,可始终保持鲜艳颜色

嫦娥三号着陆器拍摄的玉兔号月球车

在月球背面着陆进行探测,对研究月球和地球的早期历史具有重要价值。另外,月球背面可屏蔽来自地球的各种无线电干扰信号,因而在那里能监测到地面和地球附近的太空无法分辨的电磁信号,有望取得重大成果。

不过,由于在地球上永远看不到月球的背面,所以在月球背面着陆的探测器不能直接和地球站进行无线电通信。为此,我国先把“鹊桥”送入地月拉格朗日2点晕轨道。在这个轨道,“鹊桥”能同时看到地球和月球,此后在月球背面着陆的嫦娥四号与地球站之间提供通信链路。

“鹊桥”工作示意图

2018年5月21日,我国发射世界首颗月球中继星“鹊桥”,6月14日进入使命轨道。同时,我国即将发射嫦娥四号。它飞行27天后,着陆于月球背面预选着陆区,成为世界第一个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器。

作为嫦娥三号的备份,嫦娥四号仍是由着陆器和巡视器组成,但是因为嫦娥四号与嫦娥三号的科学目标差异很大,因此两者所装载的科学载荷有明显变化,更换了部分科学载荷,其中有3台是国外的。嫦娥四号有三大科学任务:对月球背面的环境进行研究;对月球背面的表面、浅深层、深层进行研究;用低频射电探测仪探测宇宙天体。

与嫦娥三号着陆器相比,嫦娥四号着陆器增加了几根长长的低频射电天线

“回”:就是发射月球采样返回器,。它在月面特定区域软着陆并采样,然后把月球样品带回地球进行精查。它原定通过发射嫦娥五号、六号采样返回器完成,其中嫦娥六号是嫦娥五号的备份,后来又增加发射了嫦娥五号飞行试验器,用于掌握嫦娥五号以接近第二宇宙速度的高速再入返回关键技术。

嫦娥五号飞行试验器于2014年10月24日升空了。11月1日,试验器的返回器在内蒙古着陆。这是我国航天器第一次在绕月飞行后再入返回地球,它的成功表明,我国已全面突破和掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回关键技术。

嫦娥五号飞行试验器的返回器成功在着陆区预定区域降落

未来探月前景

2019年,印度将发射月船二号探测器。它由一个轨道器、一个着陆器和一辆月球车组成。其任务是演示验证在月球上的软着陆能力,对月球表面进行矿物和地质等方面的测绘和分析,探测月球上是否有水。

印度月船二号的着陆器和巡视器

同年,日本将发射“月球调查智能着陆器”。它将把着陆点精确控制在距离目标区域数百米的范围内;落月时将实现月表地形的快速评估,迅速辨认可能的登陆障碍物;落月后将研究月球材料和表面微量气体,为今后的载人登月做准备,并为无人探测器考察火星积累经验。此后,日本还将发射月女神二号月球车。

2019年,我国将发射嫦娥五号采样返回器,它是我国探月工程三期的主任务,由上升器、着陆器、轨道器、返回器四个部分组成,完成探月工程的重大跨越——带回2千克月球样品。嫦娥五号不仅要完成落月,还要攻克“采样”、“封装”、“上升”、“对接”、“高速返回地球”等技术难题。嫦娥五号送到月球轨道后将两两分离,轨道器-返回器组合体留在轨道,着陆器-上升器组合体在月面上降落。着陆后,着陆器用两个机械手进行月面采样和钻孔取样,并将样品放入上升器携带的容器里进行封装;随后上升器从月面起飞,与轨道器-返回器组合体交会对接,把样品转移到返回器后分离;轨道器-返回器组合体踏上归途,以接近第二宇宙速度飞到距地球几千千米时分离;最后返回器在预定着陆点降落。未来,中国还将对月球两极进行着陆探测,建立月球科研站,最终实现载人登月的梦想。

嫦娥五号结构

美国计划在2020年以后进行载人绕月飞行,然后与俄罗斯合作建立深空之门——月球空间站,最终将通过国际合作建立月球基地,为载人登火星奠定基础。

作者|庞之浩(空间探测传播首席专家)

审稿|丁溯泉(曾任北京跟踪与通信技术研究所工程师、中国载人航天工程办公室高级工程师,现任北京天问空间科技有限公司总经理)

文章由腾讯科学 “科普中国头条创作与推送项目”团队推出

转载请注明来自“科普中国”

资料来源:知识就是力量杂志