[科普中國(guó)]-嫦娥四號(hào)將奔向月球背面 帶你回顧人類探月征程

我國(guó)即將發(fā)射“嫦娥四號(hào)”月球探測(cè)器，它將在飛行27天后，著陸于月球背面預(yù)選著陸區(qū)，成為世界第一個(gè)在月球背面軟著陸和巡視探測(cè)的航天器。自古以來(lái)，人類就對(duì)神秘的月球有著極大的興趣，也在不斷探索月球的秘密。今天，我們就一起來(lái)回顧人類漫漫的探月征程！截至2017年底，人類總共發(fā)射了132個(gè)左右的月球探測(cè)器，其中美國(guó)60個(gè)，蘇聯(lián)64個(gè)，中國(guó)4個(gè)，日本2個(gè)，歐洲1個(gè)，印度1個(gè)，成功率大約為50%，其中早期探月失敗很多。在這一過(guò)程中，全球月球探測(cè)大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：探月三步曲第一階段為1958～1976年的美蘇空間競(jìng)賽引發(fā)的首次探月高潮階段。當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)和美國(guó)展開(kāi)了以探月為中心的空間競(jìng)賽，發(fā)射了上百個(gè)形態(tài)各異的月球探測(cè)器，美國(guó)還進(jìn)行過(guò)6次載人登月。其主要目的是進(jìn)行太空爭(zhēng)霸，開(kāi)展空間探索。第二階段為1976～1994年的深入研究探月意義的冷靜思考階段。在此階段只有日本進(jìn)行過(guò)1次探月活動(dòng)。這一時(shí)期把月球探測(cè)技術(shù)向各領(lǐng)域轉(zhuǎn)化、推廣和應(yīng)用，將月球科學(xué)研究提高到更高理性認(rèn)識(shí)的階段。第三階段為從1994年起至今開(kāi)展的第二次探月高潮階段。因?yàn)橥ㄟ^(guò)大量地總結(jié)和分析以往探月的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)和成果表明，探月具有多方面意義，對(duì)人類社會(huì)具有重要的推動(dòng)作用。美國(guó)于1994年1月21日和1998年1月6日分別發(fā)射的“克萊門汀”、“月球勘探者”探測(cè)器，發(fā)現(xiàn)月球兩極存在大量水冰，從而進(jìn)一步激發(fā)了人類新的探月熱情，于是拉開(kāi)了第二次探月高潮的序幕。在進(jìn)入21世紀(jì)后，全球探月再掀高潮，并呈現(xiàn)出許多與以往不同的新特點(diǎn)。隨著政治、科技和經(jīng)濟(jì)等各方面發(fā)生的巨大變化，第二次探月熱潮與冷戰(zhàn)時(shí)期開(kāi)展的第一次探月熱潮有明顯的不同，比如：探測(cè)月球的目的由冷戰(zhàn)時(shí)期主要滿足政治和科學(xué)需要，改變?yōu)榘芽茖W(xué)探索和經(jīng)濟(jì)利益相結(jié)合，以探測(cè)月球資源為主，為未來(lái)月球資源開(kāi)發(fā)、利用打基礎(chǔ)。探月的規(guī)模更宏大，采用的技術(shù)更新。在第二次探月熱潮發(fā)射的各類月球探測(cè)器無(wú)一失敗，這表明人類的探月技術(shù)有了較大提高。打破了20世紀(jì)只有美蘇2個(gè)國(guó)家對(duì)月球探測(cè)的壟斷局面，歐洲、日本、中國(guó)、印度和美國(guó)等國(guó)家或組織都紛紛進(jìn)行月球探測(cè)，并還將有越來(lái)越多的國(guó)家參與，且逐漸轉(zhuǎn)變成以國(guó)際合作方式為主。隨著月球探測(cè)技術(shù)水平的不斷提高，探測(cè)月球的方式也越來(lái)越多，從而使月球探測(cè)的廣度和深度不斷擴(kuò)大。從月球近旁飛過(guò)或在其表面硬著陸的探月方式已不采用了，現(xiàn)在和可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)主要采用以下探月方式：用繞月探測(cè)器的方式取得信息，這樣能有較長(zhǎng)的探測(cè)時(shí)間并獲取較全面的資料。探測(cè)器在月球表面軟著陸，以固定或漫游車的方式進(jìn)行實(shí)地考察、拍攝探測(cè)和取樣分析等。用載人或不載人探測(cè)器在月面軟著陸后取得樣品返回地球，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。進(jìn)行撞擊式探測(cè)，它與早期的硬著陸不同，是一種新興起的探測(cè)方式，主要是探測(cè)月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成，發(fā)揮探測(cè)器的余熱。當(dāng)然，也有專用撞擊器。在月球建立永久性載人基地，以開(kāi)發(fā)和利用月球的資源、能源和特殊環(huán)境，并為載人火星航行開(kāi)道鋪路。國(guó)外月球探測(cè)在冷戰(zhàn)時(shí)期，主要是蘇美進(jìn)行以政治目的為主，科學(xué)目的為輔的探月競(jìng)爭(zhēng)。蘇聯(lián)1959年1月2日發(fā)射的月球-1實(shí)現(xiàn)了人類首次飛越月球。此后一直到1976年，蘇聯(lián)先后發(fā)射了24個(gè)“月球”系列探測(cè)器，進(jìn)行了巡視探測(cè)、采用返回探測(cè)等活動(dòng)。蘇聯(lián)還發(fā)射過(guò)“宇宙”、“探測(cè)器”系列月球探測(cè)器。美國(guó)早期實(shí)施過(guò)6個(gè)探月計(jì)劃，即“先驅(qū)者”、“徘徊者”、“勘察者”、“月球軌道器”、“探險(xiǎn)者”系列月球探測(cè)器和“阿波羅”系列載人登月飛船。盡管第1次探月高潮是以政治目的為主，但還是促進(jìn)了一系列航天科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展，帶動(dòng)了一系列新技術(shù)的創(chuàng)新與推廣應(yīng)用，大大提高了人類對(duì)月球、地球和太陽(yáng)系的認(rèn)識(shí)，使月球探測(cè)取得了劃時(shí)代的成就。冷戰(zhàn)后，越來(lái)越多的國(guó)家參與了探月俱樂(lè)部，使探月呈現(xiàn)出精彩紛呈的新局面。1990年1月，日本在發(fā)射了飛天號(hào)月球探測(cè)器，打破了美蘇對(duì)探月的壟斷。1994年1月25日，美國(guó)發(fā)射了“克萊門汀”月球探測(cè)器，獲得了當(dāng)時(shí)最詳細(xì)的月球表面圖像，并發(fā)現(xiàn)月球南極可能埋有大量的水冰。1998年1月7日，美國(guó)發(fā)射了“月球勘探者”探測(cè)器，再次證實(shí)月球上有水冰，它在壽命末期撞擊了月球南極一座環(huán)形山內(nèi)側(cè)的山壁，以確定是否存在水源。但遺憾的是，實(shí)施撞擊后未觀測(cè)到有水蒸氣出現(xiàn)，原因有多種。2003年9月27日上天的歐洲斯瑪特-1主要成就有兩項(xiàng)：一是試驗(yàn)太陽(yáng)電推力技術(shù)；二是對(duì)月球進(jìn)行研究和繪圖。斯瑪特-1是世界第1個(gè)正式應(yīng)用太陽(yáng)能電推進(jìn)系統(tǒng)飛向月球的空間探測(cè)器。2007年9月14日上天的日本月女神-1-由1個(gè)主探測(cè)器和2個(gè)子探測(cè)器組成，有些儀器的探測(cè)精確度是以往同類儀器的10～100倍。2008年10月22日上天的印度月船-1具有體積小、質(zhì)量輕、造價(jià)低、眼神好等特點(diǎn)。其裝有1個(gè)月球撞擊器，并采用國(guó)際合作方式。2009年6月18日，美國(guó)用1枚火箭發(fā)射了2個(gè)月球探測(cè)器——“月球勘測(cè)軌道器”和“月球坑觀測(cè)與感知衛(wèi)星”。前者在距月面50千米圓軌道飛行，分辨率優(yōu)于1米，為目前世界最高，且仍在工作；后者是世界首個(gè)專用撞擊式月球探測(cè)器，它于2009年10月9日猛烈撞擊了月球。2011年9月10日，美國(guó)發(fā)射了“月球重力恢復(fù)和內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室”（簡(jiǎn)稱“圣杯”）。它運(yùn)行在月球上空50千米的近圓形月球極軌道，由兩個(gè)一模一樣的繞月探測(cè)器組成，主要任務(wù)是更精確地測(cè)量月球的重力場(chǎng)，研究月球的起源和演變。它于2012年底完成使命，進(jìn)行了撞擊式探測(cè)。2013年9月7日，美國(guó)發(fā)射了“月球大氣和塵埃環(huán)境探測(cè)器”。其任務(wù)是分析月球稀薄大氣組成成分，研究月球表面塵埃作用，了解未來(lái)月球探測(cè)活動(dòng)可能對(duì)月球環(huán)境造成的影響，以及月球環(huán)境可能會(huì)對(duì)未來(lái)前往探測(cè)的人員和探月計(jì)劃本身有何影響。它還進(jìn)行了月地激光通信傳輸試驗(yàn)，通信速率達(dá)到以往方式的6倍。2014年4月18日，由于燃料耗盡，它按計(jì)劃高速撞擊了月球背面。中國(guó)月球探測(cè)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，從2004年起，我國(guó)開(kāi)始實(shí)施月球探測(cè)工程，即“嫦娥工程”?！版隙鸸こ獭辈捎美@月探測(cè)、落月探測(cè)和月球采樣返回探測(cè)，即“繞、落、回”三步走發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施，在工程和科學(xué)方面都取得了顯著成果?！袄@”：就是發(fā)射繞月探測(cè)器，對(duì)月球進(jìn)行全球性普查。它原定通過(guò)發(fā)射嫦娥一號(hào)、二號(hào)繞月探測(cè)器來(lái)完成，其中嫦娥二號(hào)是嫦娥一號(hào)的備份。后來(lái)由于嫦娥一號(hào)表現(xiàn)出色，嫦娥二號(hào)繞月探測(cè)器改作探月第二階段的技術(shù)先導(dǎo)星。2007年10月24日,我國(guó)發(fā)射第一個(gè)月球探測(cè)器嫦蛾一號(hào)。它運(yùn)行在距月面約200千米高的圓形極軌道上，于同年11月20日傳回第1幅月面圖像，從而豎起了繼東方紅一號(hào)、神舟五號(hào)之后，我國(guó)航天的第三個(gè)里程碑。在嫦娥一號(hào)上有8種科學(xué)儀器，用于獲取月球表面三維立體圖像，探測(cè)月表不同物質(zhì)的化學(xué)元素和地月空間環(huán)境，首次用微波探測(cè)儀測(cè)量月壤的厚度。在超額完成各項(xiàng)任務(wù)后，為了積累落月過(guò)程控制和軌道測(cè)定方面的經(jīng)驗(yàn)，嫦娥一號(hào)于2009年3月1日受控撞擊了月球豐富海區(qū)域。它比原計(jì)劃多飛117天；飛行期間經(jīng)歷3次月食；傳回1.37TB有效科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)。嫦娥一號(hào)獲取了世界第一幅全月圖，以及月表化學(xué)元素分布和礦物含量及月壤分布和近月空間環(huán)境等數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了我國(guó)在探月領(lǐng)域的空白。“落”：就是發(fā)射攜帶月球車的落月探測(cè)器在月面著陸，對(duì)著陸區(qū)附近進(jìn)行區(qū)域性詳查。它原定通過(guò)發(fā)射嫦娥三號(hào)、四號(hào)落月探測(cè)器來(lái)完成，其中嫦娥四號(hào)是嫦娥三號(hào)的備份，后來(lái)嫦娥二號(hào)也用于這一階段任務(wù)，用于突破關(guān)鍵技術(shù)。由于落月探測(cè)要突破等一系列關(guān)鍵技術(shù)，技術(shù)跨度和實(shí)施難度較大。因此，為了降低風(fēng)險(xiǎn)，在發(fā)射嫦娥三號(hào)之前，先于2010年10月1日發(fā)射了嫦娥二號(hào)。嫦娥二號(hào)運(yùn)行在距月面100千米高的極軌道上，設(shè)計(jì)壽命半年，分辨率7米，主要完成兩大任務(wù)：一是對(duì)新技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)未來(lái)的預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行高分辨率成像；二是獲得更加豐富和準(zhǔn)確的探測(cè)數(shù)據(jù)，深化對(duì)月球的科學(xué)認(rèn)知。2011年4月1日，嫦娥二號(hào)半年設(shè)計(jì)壽命期滿后，進(jìn)行了拓展試驗(yàn)，例如，2011年8月25日，嫦娥二號(hào)在世界上首次實(shí)現(xiàn)了從月球軌道出發(fā)，受控進(jìn)入日地拉格朗日2點(diǎn)環(huán)繞軌道，使我國(guó)成為第3個(gè)造訪拉格朗日2點(diǎn)的國(guó)家和組織。2012年6月1日，嫦娥二號(hào)又成功變軌，進(jìn)入飛往小行星的軌道。同年12月13日，嫦娥二號(hào)與圖塔蒂斯小行星“擦肩而過(guò)”。它使我國(guó)成為世界第4個(gè)探測(cè)小行星的國(guó)家，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)航天一次發(fā)射開(kāi)展多目標(biāo)多任務(wù)探測(cè)的先河。嫦娥三號(hào)是探月二期工程的主任務(wù)。2013年12月2日，我國(guó)成功把嫦娥三號(hào)直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道。12月14日，嫦娥三號(hào)在月面軟著陸，首次實(shí)現(xiàn)了我國(guó)對(duì)地球以外天體的軟著陸。12月15日，嫦娥三號(hào)著陸器與月球車互相拍照，使我國(guó)成為世界第3個(gè)掌握落月探測(cè)技術(shù)的國(guó)家。它使我國(guó)取得了跨越式進(jìn)步，直接獲得了豐富的月球數(shù)據(jù)，并經(jīng)受了著陸、移動(dòng)和長(zhǎng)月夜生存三大挑戰(zhàn)。在月球背面著陸進(jìn)行探測(cè)，對(duì)研究月球和地球的早期歷史具有重要價(jià)值。另外，月球背面可屏蔽來(lái)自地球的各種無(wú)線電干擾信號(hào)，因而在那里能監(jiān)測(cè)到地面和地球附近的太空無(wú)法分辨的電磁信號(hào)，有望取得重大成果。不過(guò)，由于在地球上永遠(yuǎn)看不到月球的背面，所以在月球背面著陸的探測(cè)器不能直接和地球站進(jìn)行無(wú)線電通信。為此，我國(guó)先把“鵲橋”送入地月拉格朗日2點(diǎn)暈軌道。在這個(gè)軌道，“鵲橋”能同時(shí)看到地球和月球，此后在月球背面著陸的嫦娥四號(hào)與地球站之間提供通信鏈路。2018年5月21日，我國(guó)發(fā)射世界首顆月球中繼星“鵲橋”，6月14日進(jìn)入使命軌道。同時(shí)，我國(guó)即將發(fā)射嫦娥四號(hào)。它飛行27天后，著陸于月球背面預(yù)選著陸區(qū)，成為世界第一個(gè)在月球背面軟著陸和巡視探測(cè)的航天器。作為嫦娥三號(hào)的備份，嫦娥四號(hào)仍是由著陸器和巡視器組成，但是因?yàn)殒隙鹚奶?hào)與嫦娥三號(hào)的科學(xué)目標(biāo)差異很大，因此兩者所裝載的科學(xué)載荷有明顯變化，更換了部分科學(xué)載荷，其中有3臺(tái)是國(guó)外的。嫦娥四號(hào)有三大科學(xué)任務(wù)：對(duì)月球背面的環(huán)境進(jìn)行研究；對(duì)月球背面的表面、淺深層、深層進(jìn)行研究；用低頻射電探測(cè)儀探測(cè)宇宙天體。“回”：就是發(fā)射月球采樣返回器,。它在月面特定區(qū)域軟著陸并采樣，然后把月球樣品帶回地球進(jìn)行精查。它原定通過(guò)發(fā)射嫦娥五號(hào)、六號(hào)采樣返回器完成，其中嫦娥六號(hào)是嫦娥五號(hào)的備份，后來(lái)又增加發(fā)射了嫦娥五號(hào)飛行試驗(yàn)器，用于掌握嫦娥五號(hào)以接近第二宇宙速度的高速再入返回關(guān)鍵技術(shù)。嫦娥五號(hào)飛行試驗(yàn)器于2014年10月24日升空了。11月1日，試驗(yàn)器的返回器在內(nèi)蒙古著陸。這是我國(guó)航天器第一次在繞月飛行后再入返回地球，它的成功表明，我國(guó)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關(guān)鍵技術(shù)。未來(lái)探月前景2019年，印度將發(fā)射月船二號(hào)探測(cè)器。它由一個(gè)軌道器、一個(gè)著陸器和一輛月球車組成。其任務(wù)是演示驗(yàn)證在月球上的軟著陸能力，對(duì)月球表面進(jìn)行礦物和地質(zhì)等方面的測(cè)繪和分析，探測(cè)月球上是否有水。同年，日本將發(fā)射“月球調(diào)查智能著陸器”。它將把著陸點(diǎn)精確控制在距離目標(biāo)區(qū)域數(shù)百米的范圍內(nèi)；落月時(shí)將實(shí)現(xiàn)月表地形的快速評(píng)估，迅速辨認(rèn)可能的登陸障礙物；落月后將研究月球材料和表面微量氣體，為今后的載人登月做準(zhǔn)備，并為無(wú)人探測(cè)器考察火星積累經(jīng)驗(yàn)。此后，日本還將發(fā)射月女神二號(hào)月球車。2019年，我國(guó)將發(fā)射嫦娥五號(hào)采樣返回器，它是我國(guó)探月工程三期的主任務(wù)，由上升器、著陸器、軌道器、返回器四個(gè)部分組成，完成探月工程的重大跨越——帶回2千克月球樣品。嫦娥五號(hào)不僅要完成落月，還要攻克“采樣”、“封裝”、“上升”、“對(duì)接”、“高速返回地球”等技術(shù)難題。嫦娥五號(hào)送到月球軌道后將兩兩分離，軌道器-返回器組合體留在軌道，著陸器-上升器組合體在月面上降落。著陸后，著陸器用兩個(gè)機(jī)械手進(jìn)行月面采樣和鉆孔取樣，并將樣品放入上升器攜帶的容器里進(jìn)行封裝；隨后上升器從月面起飛，與軌道器-返回器組合體交會(huì)對(duì)接，把樣品轉(zhuǎn)移到返回器后分離；軌道器-返回器組合體踏上歸途，以接近第二宇宙速度飛到距地球幾千千米時(shí)分離；最后返回器在預(yù)定著陸點(diǎn)降落。未來(lái)，中國(guó)還將對(duì)月球兩極進(jìn)行著陸探測(cè)，建立月球科研站，最終實(shí)現(xiàn)載人登月的夢(mèng)想。美國(guó)計(jì)劃在2020年以后進(jìn)行載人繞月飛行，然后與俄羅斯合作建立深空之門——月球空間站，最終將通過(guò)國(guó)際合作建立月球基地，為載人登火星奠定基礎(chǔ)。作者|龐之浩（空間探測(cè)傳播首席專家）審稿|丁溯泉（曾任北京跟蹤與通信技術(shù)研究所工程師、中國(guó)載人航天工程辦公室高級(jí)工程師，現(xiàn)任北京天問(wèn)空間科技有限公司總經(jīng)理）文章由“科普中國(guó)頭條創(chuàng)作與推送項(xiàng)目”團(tuán)隊(duì)推出轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自“科普中國(guó)”資料來(lái)源：知識(shí)就是力量雜志