榮智慧

2018年12月8日2時(shí)23分，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長(zhǎng)征三號(hào)乙”運(yùn)載火箭成功發(fā)射“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器，開啟了月球探測(cè)的新旅程

月球背面并不等于“月之暗面”，它同樣能接受太陽(yáng)光照。

2019年1月3日，“嫦娥四號(hào)”登上了月球背面，地點(diǎn)是南極-艾特肯盆地（South Pole﹣Aitken basin）里的馮·卡門環(huán)形山。

這是人類探測(cè)器第一次在月球背面軟著陸。1959年，蘇聯(lián)的“月球3號(hào)”探測(cè)器讓人們遠(yuǎn)遠(yuǎn)窺見了月球背面的樣子。1968年，美國(guó)“阿波羅8號(hào)”宇航員，第一次用肉眼看到了它。

作為普通人，雖然可以在任天堂發(fā)行的游戲《超級(jí)馬里奧：奧德賽》中，穿上宇航服，在所謂“月之暗面”的關(guān)卡里游覽個(gè)痛快，但所見終究不如現(xiàn)實(shí)里那么“貨真價(jià)實(shí)”。艾特肯盆地是太陽(yáng)系內(nèi)已知第二大的環(huán)形山，直徑超過2500公里?？茖W(xué)家們?cè)?0世紀(jì)90年代就希望一睹其芳容，那里的巖石可能有40億年的歷史，還含有相當(dāng)含量的氦-3與液態(tài)冰（一種特殊的冰水混合物）。

2018年2月，印度宣稱“月船2號(hào)”將探測(cè)這一地區(qū)。這里也是美國(guó)宇航局早就希望“落腳”并派遣機(jī)器人取回巖石樣本的地方。不過，最終還是中國(guó)的月亮女神“嫦娥”先行一步。

月球背面

在地球上，月球背面是無法觀測(cè)的“盲區(qū)”。所以，關(guān)于它的陰謀論極其流行。

比如電影《變形金剛3：月黑之時(shí)》就篡改了“阿波羅11號(hào)”的登月歷史。影片中，美國(guó)前總統(tǒng)肯尼迪在“阿波羅11號(hào)”登陸前，提醒宇航員注意外星人的行蹤。果然，宇航員們?cè)谠虑蛏习l(fā)現(xiàn)了飛船“方舟”和年邁的汽車人“御天敵”。突然，全球直播的登月實(shí)況中斷幾十分鐘?？夏岬厦畎⒛匪固乩什贿z余力地跑向月球背面，從那里帶回變形金剛的核心科技—當(dāng)個(gè)故事聽聽就好了。

月球本身是渾然一體的，之所以從地球上看有正面、背面之分，是因?yàn)樵虑虿粌H繞著地球公轉(zhuǎn)，也繞著自身的軸自轉(zhuǎn)，而它的自轉(zhuǎn)速度恰好與繞地球公轉(zhuǎn)所需的時(shí)間相等—這個(gè)原理也被稱為“潮汐鎖定”，大的天體對(duì)小的天體形成潮汐力，使小天體一直以同一面“示人”。如果有一天人們站在火星上，也會(huì)發(fā)現(xiàn)火星的衛(wèi)星—火衛(wèi)一、火衛(wèi)二，同樣有著“潮汐鎖定”現(xiàn)象。

換句話說，月球的公轉(zhuǎn)周期和自轉(zhuǎn)周期為1：1，因此在地球上的人看來，月球總是露出它的正面。而由于軌道面交角造成月球“晃動(dòng)”的現(xiàn)象，這個(gè)月球正面的范圍比背面要大一些，約占月球表面積的59%。

其實(shí)，月球背面并不等于“月之暗面”，它同樣能接受太陽(yáng)光照，只是由于背面不朝向地球，無法將陽(yáng)光反射到地球罷了。

值得注意的是，“嫦娥三號(hào)”“嫦娥四號(hào)”探索的都是月球的高緯地區(qū)，例如前者著陸在北緯44.1°、西經(jīng)19.5°的虹灣區(qū)域。過去，美國(guó)和蘇聯(lián)都向月球發(fā)射過很多探測(cè)器，不過范圍大多局限在赤道兩側(cè)27°以內(nèi)的帶狀地區(qū)，包括宇航員的活動(dòng)范圍也處于低緯度。

降落在低緯度，通常有幾方面考慮：首先，月球赤道附近光照理想（月球赤道面與黃道面的交角僅有1.54°），光學(xué)設(shè)備能清晰勘探，太陽(yáng)能電池也能更好地工作。其次，像“阿波羅”系列飛船載人的話，需要返回地球，那么從月球低緯度升空，便于利用赤道附近較大的線速度，節(jié)省燃料。再次，從近地軌道一路輾轉(zhuǎn)而來的探測(cè)器或載人飛船，如果進(jìn)入與月球繞地軌道基本“共面”的近月下降軌道，再“就近”降落在月球赤道附近（月球繞地軌道和月球赤道面交角小于7°），可免去向高緯度大幅變軌的折騰。

馮·卡門環(huán)形山的坐標(biāo)是南緯45.5°、東經(jīng)177.6°，該地不易著陸，在太陽(yáng)能供應(yīng)上也相對(duì)受限。顯然，“嫦娥四號(hào)”是在迎難而上。

“玉兔，咱家里來人了！”

“嫦娥四號(hào)”其實(shí)是個(gè)“備胎”。它原本的命運(yùn)是，做“嫦娥三號(hào)”的備份探測(cè)器。不過，2013年“嫦娥三號(hào)”圓滿完成了任務(wù)，著陸在月球正面的虹灣，還留下了令人魂?duì)繅?mèng)縈的月球車“玉兔”。這樣，“嫦娥四號(hào)”又有了新使命。

目前，“嫦娥五號(hào)”預(yù)定在2019 年12 月前后發(fā)射。

它包含了著陸器和漫游車。著陸器重1.2噸，漫游車重140千克。著陸器有放射性同位素?zé)犭姍C(jī)，可以在3個(gè)月的任務(wù)期限里，為搭載的科學(xué)儀器供電。漫游車才是探索月球背面的主角，而且，經(jīng)過將近45萬中國(guó)公民的投票，它的名字叫“玉兔二號(hào)”，以此來紀(jì)念它的弟弟或妹妹—在月球孤獨(dú)工作了972天后停擺的“玉兔”。

“玉兔二號(hào)”和著陸器分離后不久，著陸器上的監(jiān)控?cái)z像頭拍攝它的 “足跡”照片，即通過“鵲橋”中繼星傳回了地球。之后為了迎接月晝高溫的挑戰(zhàn)，“玉兔二號(hào)”計(jì)劃先休眠一段時(shí)間，再被喚醒。

從“玉兔二號(hào)”的“配置”來看，有太陽(yáng)能電池板，有挖掘和分析土壤樣本的工具，搭載了全景攝像機(jī)來拍攝月球表面的三維圖像，還搭載了探測(cè)雷達(dá)、可見光和近紅外成像光譜儀，來探測(cè)月球背面的地形和礦物組成成分。

它還帶了一個(gè)3千克的密封容器，里面裝了馬鈴薯、擬南芥種子和蠶卵，以便測(cè)試植物和昆蟲能否在月球共生。蠶卵一旦孵化，幼蟲會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，而萌發(fā)的植物會(huì)通過光合作用釋放氧氣，有望在容器內(nèi)共建一個(gè)微型的生態(tài)系統(tǒng)。這一實(shí)驗(yàn)由28所中國(guó)大學(xué)設(shè)計(jì)。1982年的時(shí)候，蘇聯(lián)“禮炮七號(hào)”空間站就種了一些擬南芥，它們?cè)谔臻_花、死亡，壽命為40天。

1月3日，在北京航天飛行控制中心，科研人員在緊張工作

“嫦娥四號(hào)”降落過程示意圖

據(jù)悉，“玉兔二號(hào)”將陪伴“玉兔”，永遠(yuǎn)留在月球表面。不過，它們很快就能等來“能回家”的“玉兔三號(hào)”。

“嫦娥工程”小三步

由中國(guó)國(guó)家航天局主導(dǎo)、2003年啟動(dòng)的“嫦娥工程”，分“大三步”和“小三步”。

“大三步”是“探”“登”“駐”—無人探月、載人登月、長(zhǎng)久駐月。其中“探”分為“小三步”，即“繞”“落”“回”。

“嫦娥一號(hào)”和“嫦娥二號(hào)”做的是“繞”，2007年啟動(dòng)，作為月球軌道器，在距離月球表面約2000公里的高度繞月飛行，進(jìn)行全球探測(cè)。

“嫦娥三號(hào)”和“嫦娥四號(hào)”做的是“落”，2013年啟動(dòng)，發(fā)射月球著陸器，落到月球表面，釋放一個(gè)月球車，在著陸區(qū)進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)。

“嫦娥五號(hào)”“嫦娥六號(hào)”，則會(huì)發(fā)射月球自動(dòng)采樣返回器，它降落到月球表面采集樣本后，其中的返回器還會(huì)回到地球。這就是“回”。1970年的蘇聯(lián)“月球-16”探測(cè)器最早做到了這一點(diǎn)。目前，“嫦娥五號(hào)”預(yù)定在2019年12月前后發(fā)射，“嫦娥六號(hào)”預(yù)定在2024年發(fā)射。

歐洲航天局在2017年發(fā)布的3D打印月球基地效果圖

等這“小三步”完成得差不多了，“載人登月”就會(huì)提上中國(guó)航天日程，并在21世紀(jì)30年代得以實(shí)現(xiàn)。

就剛剛著陸的“嫦娥四號(hào)”而言，它跟“嫦娥三號(hào)”結(jié)構(gòu)類似，完成的任務(wù)也類似，突破的技術(shù)難關(guān)也比較接近。

月球表面沒有大氣，沒法利用氣動(dòng)減速的辦法著陸?！版隙鹚奶?hào)”首先要靠自身推進(jìn)系統(tǒng)減少近1.7km/s的速度，這要求它自己的推進(jìn)系統(tǒng)的速度增量必須夠大。同時(shí)，下降過程中，探測(cè)器的質(zhì)量不斷減小，重力也隨之變化，自身的推力也要可以調(diào)整才行。

軟著陸的下降過程，是個(gè)時(shí)間短、速度變化大、不可逆的過程，沒法依靠地面實(shí)施制導(dǎo)和控制，只能靠自己的GNC系統(tǒng)—利用基于對(duì)月測(cè)速、測(cè)距和地形識(shí)別的傳感器，來進(jìn)行全自主的制導(dǎo)、導(dǎo)航、控制。而且月球背面到處坑坑洼洼，很少有“完整”的地方，“嫦娥四號(hào)”還得有一定的自主避障能力。

著陸時(shí)，必須有“著陸緩沖系統(tǒng)”來吸收撞擊月面的沖擊載荷，還得保證著陸器不翻倒、不陷落。

巡視探測(cè)的過程也很復(fù)雜。漫游車要在有限的能源下，做出前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、爬坡、越障等動(dòng)作，并保持運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。車輪形態(tài)、懸架形式、月壤可通過性和移動(dòng)性能仿真性，都是要處理的問題。

到了預(yù)定的工作地點(diǎn)后，月球車還要具備在環(huán)境中識(shí)別危險(xiǎn)、確定自身姿態(tài)位置、辨別目標(biāo)位置、規(guī)劃到達(dá)目標(biāo)位置的能力。這需要基于多種傳感器信息融合的路徑規(guī)劃技術(shù)。

這些難點(diǎn)，“嫦娥三號(hào)”和“嫦娥四號(hào)”都攻克了?！版隙鹚奶?hào)”主要是優(yōu)化了降落過程的制導(dǎo)程序，漫游車也會(huì)等待電力充滿再工作。

奔月何為

地球人很早就惦記著“上月球”了?！碍倶怯裼睿咛幉粍俸??！笨苹眯≌f家儒勒·凡爾納寫了《從地球到月球》，吸引了魯迅為之翻譯。他在序言中連連稱奇：“然人類者，有希望進(jìn)步之生物也，故其一部分，略得光明，猶不知魘，發(fā)大希望，思斥吸力，騰空氣，泠然神行，無有障礙?！?/p>

當(dāng)然，登上月球，一方面是滿足科學(xué)探索的好奇心，一方面也有很多現(xiàn)實(shí)的因素?！鞍⒉_”系列飛船帶回的樣本證實(shí)了氦-3的存在。根據(jù)探測(cè)結(jié)果，月球上的氦-3含量估計(jì)在100萬噸以上。氦-3是氦的同位素之一，地球上的儲(chǔ)量極其稀少，只有10～15噸。使用氦-3的核反應(yīng)堆沒有中子，因?yàn)榧兒?3的熱核反應(yīng)只會(huì)產(chǎn)生沒有放射性的質(zhì)子，因此也就不會(huì)產(chǎn)生輻射。

據(jù)專家計(jì)算，如果采用氘和氦-3進(jìn)行核聚變反應(yīng)來發(fā)電，美國(guó)年發(fā)電總量?jī)H需消耗25噸氦-3。以目前全球電價(jià)和空間運(yùn)輸成本算，月球上1噸氦-3的價(jià)值約為40億美元。但隨著空間技術(shù)的成熟，運(yùn)輸成本一定會(huì)下降。法國(guó)科學(xué)家就宣布，2030年將使用氦-3進(jìn)行商業(yè)發(fā)電。

著陸器地形地貌相機(jī)拍攝的“玉兔二號(hào)”在A點(diǎn)影像圖

印度也早就瞄準(zhǔn)了月球上的氦-3?！霸麓?號(hào)”的目的正在于此。不過，對(duì)月球開采，只有美國(guó)和盧森堡通過了立法，允許商業(yè)實(shí)體將太空開采的東西據(jù)為己有。目前，還沒有任何相關(guān)國(guó)際性條約。

月球南極的艾特肯盆地，正是氦-3的豐富儲(chǔ)地?！版隙鸸こ獭钡摹翱茖W(xué)目標(biāo)”中就包括，“評(píng)估月壤中氦-3的資源量與分布”。

除了為地球提供能源，月球最大的作用還是做一個(gè)“中轉(zhuǎn)站”。比如建天文臺(tái)，由于沒有大氣層遮擋，沒有電磁波干擾，絕對(duì)是天文觀測(cè)的最佳場(chǎng)所。此外，從月球背面能看到宇宙深處，從月球南極能看到銀河系的中心。

在月球上建火箭發(fā)射場(chǎng)也特別有利。首先，燃料可以就地取材;其次，重力小，發(fā)射輕松。所以，美國(guó)的長(zhǎng)期空間探索計(jì)劃是要先建立月球基地，再?gòu)脑虑蚧爻霭l(fā)去探索火星。

太空競(jìng)賽

相對(duì)于美國(guó)航天事業(yè)的“遙遙領(lǐng)先”和蘇聯(lián)-俄羅斯的殷實(shí)家底，印度一直希望坐穩(wěn)“第三名”的位置，不過這一愿望未能順利實(shí)現(xiàn)。

繼美國(guó)和俄羅斯之后，中國(guó)是第三個(gè)用自己的火箭將自己的宇航員送上太空的國(guó)家。首次載人行動(dòng)是2003年，從那以后，中國(guó)已經(jīng)將11名宇航員送入太空。2016年，兩位中國(guó)宇航員在中國(guó)的第二個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室“天宮二號(hào)”駐留了30天。

2018年，中國(guó)向太空發(fā)射了38枚火箭—首次在數(shù)量上超過了其他國(guó)家;10月有一次發(fā)射任務(wù)失敗，不過主角是中國(guó)首枚民營(yíng)運(yùn)載火箭“朱雀一號(hào)”。作為中國(guó)最大推力新一代運(yùn)載火箭，“長(zhǎng)征五號(hào)”重型火箭今后將擔(dān)負(fù)更大的責(zé)任，比如發(fā)射“東方紅五號(hào)”衛(wèi)星。

2014年9月，印度發(fā)射的火星軌道探測(cè)器成功進(jìn)入火星軌道。

比較惋惜的是，中國(guó)火星探測(cè)計(jì)劃中的第一顆火星探測(cè)器“螢火一號(hào)”，2011年11月搭乘在俄羅斯的探測(cè)器上一起發(fā)射升空，但因俄聯(lián)邦航天局提供的“福布斯-土壤”探測(cè)器沒能按計(jì)劃變軌，結(jié)果雙雙被困在距離地表206～340公里的近地軌道。俄羅斯先后兩次搶救均未成功，“螢火一號(hào)”最后于2012年1月墜入太平洋。

而印度在火星探測(cè)上破了一個(gè)紀(jì)錄。2014年9月，印度發(fā)射的火星軌道探測(cè)器成功進(jìn)入火星軌道，使印度成為全球首個(gè)第一次嘗試便成功入軌的國(guó)家，僅排在俄羅斯、美國(guó)和歐洲之后。但是除此之外，無論是發(fā)射火箭、衛(wèi)星，還是載人、探月，印度的速度都不算太快。

印度的登月計(jì)劃也分三個(gè)階段，第一階段是發(fā)射無人探測(cè)器“月船1號(hào)”，這一目標(biāo)已在2008年達(dá)成。第二階段是發(fā)射登月機(jī)器人。原定“月船2號(hào)”將于2019年1月發(fā)射，但因故再度推遲，官方表示目前無法確定發(fā)射日期。

2018年12月28日，印度內(nèi)閣會(huì)議批準(zhǔn)了載人在太空停留7天的“加岡揚(yáng)”計(jì)劃。這是印度首項(xiàng)載人太空任務(wù)，將用GSLV Mark III火箭發(fā)射“加岡揚(yáng)”軌道宇宙飛船，載3名宇航員到距離地表400公里的太空軌道。該任務(wù)計(jì)劃耗資1000億盧比，于2020年進(jìn)行。

太空探索是一個(gè)極其耗費(fèi)時(shí)間和資金的事情，不是小國(guó)能辦到的。對(duì)于大國(guó)來說，太空探索必須作為國(guó)家級(jí)優(yōu)先事項(xiàng)，不受政治、經(jīng)濟(jì)波動(dòng)的影響，才能保證計(jì)劃穩(wěn)定實(shí)行。探索的時(shí)間、名次、難度，就像國(guó)家的勛章，這種榮譽(yù)是被記載在人類史冊(cè)上的。

“嫦娥四號(hào)”在迄今為止月球上最大的撞擊盆地成功著陸，縮小了中美在登月方面的差距。平克·弗洛伊德樂隊(duì)有張著名的專輯《月之暗面》（1973），蟬聯(lián)了“Billboard 200”917周的冠軍。這張專輯關(guān)注了人類普世價(jià)值的主題，還為迷幻搖滾加進(jìn)了實(shí)驗(yàn)性，開創(chuàng)了“太空搖滾”的時(shí)代。樂隊(duì)成員Roger Waters說：“這張專輯有一個(gè)核心思想，那就是人的生命只有一次，所以你必須去抉擇、去探索，所以歌詞里說‘我會(huì)在月之暗面（其實(shí)是指月球背面）與你相見?！?/p>