编者按
 广袤深邃的宇宙，明月悬挂。从远古的蛮荒岁月到现代的科技文明社会，她见证着人类发展的每一步。百年寻梦，千年憧憬，从朦胧，到清晰；从顶礼膜拜到冷静审视，不段地与大自然奋争搏斗，不断地接近真理的终极，月亮，终于走下了虚幻的神坛，成为人类遥远而亲密的朋友。
翘首仰望，秉烛话月；飞出地球，遨游太空......当前，探索月球，开发月球资源，建立月球基地具有十分重要的战略意义和政治意义，已成为世界航天活动的必然趋势和竞争热点。我国在发展人造地球卫星和实施载人航天工程之后，与时俱进，适时开展以月球探测为主的深空探测。月球探测将成为我国空间科学和空间技术发展的第三个里程碑。
在2006年第12期杂志的本期焦点栏目中，我们跟随专家的视线感知月球，揭开混沌，逐以澄明。这里，请继续与我们学海漫步，体会并思考，回顾与展望--人类探月那一个个历史性时刻，中国“嫦娥工程”的划时代意义与各个阶段任务......月球探测，有力地推动了科学的创新与发展，为人类创造着无穷的福祉。
月球探测的走向
 月球是地球唯一的天然卫星，是离地球最近的天体。自古以来，它寄托着人们的美好愿望和浪漫遐想，留下了许多神话传说与科学假说。月球也一直是人类密切关注和经常观测的天体，月球的运动和月相的变化不仅对人类的生产活动发挥了重大作用，还对人类文化发展和文明进步产生了广泛而深刻的影响。
在古代，人们只能用裸眼来观察月球，直到16世纪望远镜发明以后，人们才发现月球上有高山和广阔的平原，月面布满了大大小小的撞击坑(环形山)。但是，利用望远镜观测月球的空间分辨率大于10公里，所编制的月球地形图仍然是模糊不清的。1957年，前苏联发射了第一颗人造地球卫星，标志着人类空间时代的到来。自1959年以来，前苏联相继发射了“月球”系列、“宇宙”系列月球探测器，对月球开展了系统性探测；与此同时，美国发射了“先驱者”系列、“ 徘徊者”系列、“勘察者”系列、“月球轨道器”系列和“阿波罗”系列月球探测器。自此，苏美两国展开了以月球探测为中心的空间霸权争夺。从1959年到1976年，苏美两国一共发射了108个月球探测器，成功48个。美国实现了6次载人登月，取回月球样品381．7公斤；前苏联进行了3次不载人月球自动采样返回，共取得了0．3公斤月球样品。科学家还从南极冰盖和沙漠中发现了28块确证是来自月球的陨石。
 自1994年以来，各空间国家相继提出了各有特色的重返月球和建立月球基地的计划。2005年，美国国家航空航天局宣布了预算总额达1040亿美元的雄心勃勃的月球探测计划，将于2008年开始持续对月球进行无人探测，2018年重新载人登月；在此基础上，再耗资2170亿美元，开发和利用月球资源，把月球作为进一步登临火星与开展太阳系探测的跳板和前哨站，2025年载人登上火星。随后欧空局也公布了庞大的月球探测计划，在2020年前进行不载人月球探测，2020-2025年开始载人登月，2030-2035年从月球载人登上火星。俄罗斯提出建立月球基地开发利用氦-3资源及火星探测计划。此外，日本、德国、英国、加拿大、奥地利、印度、巴西和波兰都相继提出了各自的月球探测与载人登月计划。
因此，纵观世界深空探测的发展趋势，21世纪的深空探测将以月球和火星探测为主线开展太阳系的探测，并为人类社会的可持续发展服务。月球探测是人类走出地球摇篮，迈向浩瀚宇宙的第一步，也是人类探测太阳系的历史性开端。
中国月球探测概要
 我国在发展人造地球卫星和载人航天之后，2000年提出适时开展以月球探测为主的深空探测，这是我国科学技术发展和航天活动的必然选择，也是我国航天事业持续发展，有所作为、有所创新的重大举措。综合分析国际上月球探测已取得的成果，考虑到我国科学技术水平、综合国力和国家整体发展战略，我国的月球探测虽然起步晚，但却可以在较高的起点上迎头赶上。2002年公布了我国月球探测的长远规划与近期规划，我国月球探测的长远规划可划分为三个阶段，即“探”--不载人月球探测阶段，“登”--载人登月阶段和“驻”--建设月球基地，开发利用月球阶段。近期我国的月球探测以不载人月球探测为宗旨，又分三期实施：
第一期：环月探测。2007年研制和发射我国第一个月球探测器--嫦娥一号月球探测卫星，对月球进行全球性、整体性与综合性探测。“嫦娥一号”月球探测卫星的主要科学目标是：获取月球表面高精度三维立体影像；分析月球表面14种有用元素含量和物质类型的分布特点；探测月表微波特征与估算月壤厚度；探测地月空间环境。“嫦娥一号”月球探测卫星的工程目标：突破月球探测的关键技术；初步建立我国的月球探测工程大系统；验证各项关键技术；初步建立我国月球探测技术研制体系，培养相应的人才队伍，推动月球探测活动的进一步开展。获取月球探测的工程实践经验，为未来探测积累技术基础。经过多年论证，我国月球探测的总体战略和科学目标明确，我国已完全具备开展月球探测的能力。
 第二期：月面软着陆器就位探测与月球车月面巡视勘察。发射月球软着陆器，试验月球软着陆和月球车技术，就位勘察着陆区区域的地形地貌、地质构造、岩石成分与分子，探测月壤层和月壳的厚度与结构，记录小天体撞击和月震，开展月基极紫外、低频射电和光学天文观测。
第三期：月面自动采样返回。发射小型采样返回舱，进行就位勘察着陆区区域的地形地貌、地质构造、岩石类型与分布，就位探测月壤层和月壳的厚度与结构，记录小天体撞击和月寰，探测月球内部结构，采集关键性月球栏品返回地球，进行系统深入研究。
环月探测经历了2004年的立项启动年，2005攻关年，2006决战年，攻克了各项关键技术，建立了运载、卫星、测控、发射场和地面应用五大系统和各分系统，进入了集成、联调、试运行和正样交付出厂阶段，嫦娥工程按照高标准、高质量和高效率的要求，以确保2007年的首发成功。
月球探测推动科学的创新与发展
 月球探测的历史经验表明，月球探测有力地推动了科学的创新与快速发展，促进了学科间的交叉和融合，拓展和丰富了各学科的研究领域，直接推动了一系列交叉、边缘和新兴学科的产生与发展。
创建了月球科学的完整体系
通过月球探测获得的海量数据与丰硕成果，逐步建立起月球科学的各个分支学科。如研究月球地形地貌的类型与区划、形成与演化过程、月面撞击坑的分布与分类等的月球地貌学；研究月球的形状、大小、坐标系统和地形图测绘的月球大地测量学；研究月球地质构造体系、大地构造区划、岩浆活动与岩石类型分布、月球物质演化过程的月球地质学；研究月球的磁场、电场、重力场与热场等物理场和内部结构与物质分布的月球内部物理学；研究月球磁层、电离层、大气层、月面物理化学环境，以及日-地-月相互作用的月球环境学；研究月球与地月系统的起源与演化的月球起源学等等，基本上构成了较完整的月球科学体系。
开辟了开发利用月球资源的新领域
 研究月球上有开发利用前景的能源、金属与非金属资源和特殊环境，是当代月球探测的新领域，从而诞生了月球资源学。
月球上可利用的能源主要有太阳能和受控核聚变燃料。由于月球表面没有大气，太阳辐射可以长驱直入；同时，月球上的白天和黑夜都相当于14个地球日，因此在月球表面建立全球性的并联式太阳能发电厂，可以获得极其丰富而稳定的太阳能。不但解决了月球基地的能源供应问题，还可以用微波将能量传输到地球，为地球提供新的能源。
月球表面覆盖着一层由岩石碎屑、粉末、角砾、撞击熔融玻璃等物质组成的、结构松散的混合物——月壤。月壤是岩石长期受小天体撞击而破碎，以及因剧烈温差而碎裂所形成的，绝大部分月壤物质的来源是就地及邻近地区的物质。由于月球几乎没有大气层，月球表面长期受到太阳风粒子的注入使月壤富含太阳风组份。在整个月球演化史中，由于外来物体对月球表面的频繁撞击，月壤物质几乎完全混合，在深达数米的月壤中这些太阳风组份的含量较均匀。月壤中的氦-3将为人类社会提供长期、稳定、廉价和洁净的受控核聚变燃料。用氘、氦-3来进行核聚变反应比用氘、氚作燃料具有更多的优点，主要表现在：(1)传统的氘、氚核聚变反应过程中，伴随核聚变能的产生，要产生大量的高能中子，而这些中子能够对核反应装置和环境产生广泛的放射性损伤；相反的，若用氘、氦-3核聚变反应，则主要产生高能质子而不是中子，对环境防护更为有利。(2)氚本身具有放射性，而氦-3则没有，属于稳定核素。由于月壤中氦-3的含量较为稳定，只要能够探测月壤的厚度，就可以估算出月壤中氦-3的资源量。以“阿波罗”和“月球号”探测器的实测结果为参考标准计算，月壤中氦-3的资源总量可达100-500万吨；而地球上可提取的氦-3只有15-20吨。若受控核聚变实现商业化，供应全世界一年的总发电量约需消耗100多吨的氦-3。月壤中的氦-3可供地球能源需求达上万年。因此，开发月壤中所蕴藏的丰富的氦-3对人类能源的可持续发展具有重要而深远的意义。据计算，氦-3的能量回报率为270，原子能发电的能量回报率为20，煤为16。因此，氦-3作为一种清洁、高效、安全的受控核聚变发电燃料是无庸置疑的。
 月球的矿产资源将是地球资源的重要储备和支撑。据我们估算，月海玄武岩中钛铁矿（FeTiO3）约总资源量约为1300—1900万亿吨。可开采利用的钛金属至少有100万亿吨；风暴洋区克里普岩中的稀土元素、钍、铀的资源量分别为225-450亿吨、8．4亿吨和3．6亿吨。此外，月球还蕴藏有丰富的铬、镍、钾、钠、镁、硅，铜等金属和硅、镁、磷等非金属矿产资源，将会为人类社会的可持续发展作出贡献。
月球几乎没有大气层，属于超高真空状态，因而月球表面不会有大气的吸收、反射与散射等干扰；由于没有大气的热传导，月球表面昼夜温差极大；月球没有全球性的磁场，月岩只有极微弱的剩磁：月球的内部能量已近于衰竭，内部的地温梯度也很小，月震释放的能量仅相当于地震的一亿分之一，地质构造极其稳定；自距今31亿年以来，月球没有发生过显著的火山活动和构造运动。因此，月球的“地质时钟”停滞在31亿年之前，至今仍保留了早期的历史面貌；月球表面还具有高洁净、弱重力的特征。这些环境特征是在地球上无法达到的，可以用于(1)在月面建立月基对地监测站，对地球的气候变化、生态演化、环境污染和各种自然灾害进行高精度的观察和监视，为人类的可持续发展作出贡献。(2)月球的特殊环境为研 制特殊生物制品和特殊材料展示了广阔而诱人的前景，月球将成为新的生物制品和特殊材料的研制、开发和生产的基地。(3)月球是庞大而稳固的“天然空间站”，是人类探测太阳系、开展深空探测的前哨阵地和转运站。
月球的矿产资源、能源资源和特殊环境资源将对人类社会的可持续发展发挥长期稳定的支撑作用，地-月系统不仅是一个统一的自然体系，而且在人类社会的可持续发展方面，也将构成一个统一的整体。
催生了比较行星学的建立与发展
 随着月球探测的逐步开展，促进了人类对太阳系各行星及其卫星、小行星和彗星的探测。特别是“火星号”，“水手号”、“海盗号”、“火星探路者号”、“火星全球勘探者号”、“奥德赛号”、“火星快车号”、“机遇号”和“勇气号”等探测器对火星进行了持续而全方位的探测，积累了极其丰富的探测成果，“火星学”应运而生。相应的还诞生了“水星学”、“金星学”、“木星学”、“土星学”等等。在此基础上还出现了一门新兴学科“比较行星学”。比较行星学是以研究地球为基础，把地球纳入太阳系的时空尺度里，对比研究各行星形成演化过程的共性及各自的特性，综合探讨地球和类地行星的演化规律。比较行星学的研究，通过综合比较各行星的电离层，大气层、地形地貌、地质构造、矿物岩石的成分与分布小物理场、早期历史、内部结构、内部能源与演化历史等，为探讨太阳系的起源与演化提供了重要的科学依据。
拓展了地球科学的研究领域
 月球探测的科学成果，扩展和深化了地球科学的研究领域。特别是对固体地球科学的四大支柱——地质学、地球物理学、地球化学和大地测量学的研究，提供了地球之外的另一个固体天体进行对照和比较，充实与丰富了关于地球起源与早期演化、地球的地体构造区划与演化历史、地球的物理场与内部结构、物质组成与化学演化，月球、地球和其它行星的空间大地测量学等领域的研究。
在阿波罗月球样品分发给世界各著名实验室进行研究的过程中，使用并研制了大量的尖端科学仪器与技术装备，大大推动和促进了地球样品的微区、微粒、超微量和微束分析技术的创新与发展，从整体上提高了地球科学的研究水平。
提供了天文学观测的独特平台
 月球探测的开展将极大地促进空间天文学的发展。月球是开展天文观测的理想场所，目前世界各国的天文学家都热衷于在月球上建立天文观测站，开展月基的光学、红外、紫外、低频射电、Υ射线的天文观测。
月球上地质构造稳定，为天文望远镜提供了一个巨大、稳定而坚固的观测平台。月球表面具有高度真空和高度洁净的条件，没有大气层中的各种分子、离子、原子和灰尘对来自天体的电磁辐射的吸收和散射，也就是说月球上的天空对来自宇宙天体的所有电磁波都是透明的。在月球上开展天文观测，各种光学波长都不会因大气扰动而影响观测精度，可以免受地球上大气抖动等因素的影响，用较小的望远镜口径就可以实现很高的观测精度。在月球南北极的永久阴影区内建立天文望远镜和需要“冷源”的大型红外望远镜，可以免受太阳辐射的影响。而在月球背向地球的一侧建立天文望远镜，开展低频射电的天文观测和长波红外观测，可以免受地球射电源的干扰，实现在地球上无法实现的低频射电观测，真正实现全波段观测，从而为探索地外生命和地外文明提供了得天独厚的条件。总之，月球上的天文观测仪器可以基本上不受地球本身的各种自然环境变化和人类活动的影响。
月球上的天文观测站将是月球基地的重要组成部分，它不仅可以对太阳系、银河系天体和星际空间进行观测研究，而且是进行太阳物理学、天体物理学、重力波物理学、中微子物理学观测和实验最有吸引力的场所。
丰富了空间科学各分支学科的研究内涵
 空间科学主要是利用空间飞行器研究发生在空间的物理、化学和生命等自然现象的一门综合性学科。月球探测为研究日-地-月相互作用的物理化学过程，月球在内、外力作用下的物理和化学过程与演化规律，在月球低重力、无磁场、高真空和强辐射环境下的物理，化学和生物现象以及新材料、新生物制品的研制提供了新的科学依据，丰富和充实了空间物理学、空间化学、空间生命科学、空间地质学、空间遥感科学和空间材料科学的研究内涵。
提高了管理科学的理论与实践水平
 月球探测是一项高技术集成、多学科、多系统协调的大科学组织管理的系统工程。实施这一系统工程，对工程管理科学的理论与实践提出了严峻的挑战，从而促进了管理科学的创新和跨越式发展。阿波罗计划之所以能如期完成并取得极大的成功，很关键的一点在于运用系统工程方法进行了有效的组织管理，阿波罗计划历时10年，动员了上百个科研机构，120多所大学，2万多家企业，先后400万人参加，当时耗资约256亿美元。这一规模宏大的工程，工程技术之复杂程度难以想象，仅运载工具--土星5号火箭就有上百万个零部件，涉及难以计数的工序。阿波罗计划的实施，带动了上世纪六、七十年代一系列高新技术的发展，如液体燃料火箭、微波雷达、无线电制导、合成材料和计算机等一大批高新科技工业群体的形成与发展，阿波罗计划派生出了大约3000多种应用技术成果，包括航空、航天、军事、通信、材料、医疗卫生、计算机等，取得了巨大的政治和经济效益。为实施对这一超大规模的、复杂的系统工程的组织协调和管理，建立起一整套严密而科学的组织管理理论与方法，开创了系统工程学的新思想，促进了系统工程学的发展。
回顾人类月球探测的历史，我们体验到，开展月球探测适应了当代社会、经济和科技发展的广泛需求，其将有力和显著地推动基础科学和应用基础科学的创新与发展。 （出处：《科学中国人》2007年第一期） [推荐给朋友] [关闭窗口]
|
