“嫦娥”的使命

蔡如鵬

如果太空是一片浩瀚的海洋，那么月球就是離人類最近的島嶼。想出海，就必須先踏足這座島嶼。

“嫦娥一號”工程的核心就是為了實現從地球到月球的星際飛行。月球探測工程是中國頭一次飛離地球，對地外星體進行探測。

人類第一次對月球表面進行全月面三維立體照相

中國科學院地球化學研究所研究員歐陽自遠院士，是“嫦娥工程”月球應用科學首席科學家。他在接受《新京報》采訪時回憶，2004年1月國務院正式批準繞月探測工程立項，此前“整整醞釀了10年”。這期間，爭議最大的就是“上月球干什么”。

1997年香港回歸前夕，有人提出利用運載火箭往月球上發射一個象征中國的鐵質標志，永遠將其“烙”在月球上，以揚國威、鼓志氣。一些學者甚至向中央打了申請報告，計劃在香港回歸前完成發射任務，這個設想當時在科學界引發巨大爭議，

“這完全是從政治角度考慮的，基本上沒有什么科學研究價值。所以當報告打到中央后，被時任國務院總理的李鵬同志否決了。”歐陽自遠說。

這次“嫦娥一號”明確提出了四項科學目標：

獲取月球表面三維影像，

分析月球表面有用元素含量和物質類型的分布特點，

探測月壤特性；

探測地球至月球的空間環境。

與上世紀六七十年代蘇聯和美國探月相比，這次“嫦娥一號”探月除了一些必要的重復性、確認性的探測內容外，將是人類第一次對月球表面進行全月面三維立體照相。

國家天文臺研究員李競評價說，月球表面影像“從二維到三維，完全不一樣。三維立體照相用處很大，對將來進一步探月，都是重要的基礎建設。”

繞月探測工程衛星系統副總設計師孫輝先透露，“嫦娥一號”將利用月球的自轉完成對整個月面的覆蓋觀測，分辨率在120米左右。

“盡管人類已經向月球發射了近百個探測器，但仍有不少基本的問題沒有定論。”北京大學地球與空間科學學院教授焦維新說，比如月球上最高的山有多高，有說八千米的，有說七千米的，有說五六千米的，相差很大。

為了完成四項科學目標，“嫦娥一號”上搭載了6套24件科學探測儀器(也稱有效載荷)，包括CCD立體相機、激光高度計、成像光譜儀、伽馬／X射線譜儀、微波探測儀、太陽高能粒子探測器和低能離子探測器等。

CCD立體相機，是拍攝月球表面三維影像的專用相機，在中國屬首次使用；

伽馬／X射線譜儀用于探測月球表面元素；

微波探測儀除用于獲取月壤厚度信息外，還能給出月球背面的亮度溫度圖和月球兩極地面的信息。

這些探測儀器“總的來說，與國際上當前同類儀器的研制水平相當”，孫輝先說，有些方面還有創新，比如這次“使用的伽馬／X射線譜儀探測的分辨率和靈敏度，比國際上以往月球探測中使用的同類儀器要高，所以可能探測到更多的元素。”

與日本9月14日發射的“月亮女神”探測器相比，孫輝光認為，兩者的探測目標互補。

“月亮女神”除主星外還有兩個小衛星，是一箭三星，探測月表元素、礦物、月球空間環境等目標，與“嫦娥一號”相近，但“嫦娥一號”有探測月壤厚度的目標，“門亮女神”沒有；“月亮女神”有探測月球結構的目標，“嫦娥一號”沒有。

如果控制不好，就會出現撞擊月球或飛離月球的可能

與中國已發射的近百顆人造衛星和六艘飛船相比，“嫦娥一號”將飛得更遠、更快。它的目的地是距地球38.4萬公里之遙的月球，而“神舟”飛船的軌道離地面只有300多公里。

焦維新教授告訴記者：“在探月工程之前，中國把衛星送至的最遠距離大約是7萬公里。”

飛得越遠，需要擺脫的地球引力束縛越大。根據物理學家的計算，要想把一個物體發射到太空中，至少要達到2.8萬公里的時速(即第一宇宙速度7.9公里／秒)才能進入近地軌道。

“嫦娥一號”雖然仍沒有完全擺脫地球引力的束縛，但它需要從近地軌道轉移至環月軌道，因此，在太空中飛行的最高速度也要大大超過所有的近地衛星。

據繞月探測工程衛星系統副總設計師孫澤訓透露，“嫦娥一號”在地月轉移軌道人口的速度會達到10.9公里／秒左右。

“衛星從地球往月球轉移的軌道，稱之為地月轉移軌道。”焦維新教授解釋說——“嫦娥一號”發射后，先進入距離地面200公里的停泊軌道，圍繞地球旋轉，然后，等待時機加速轉入地月轉移軌道。最后，達到月球附近時，減速切人環月軌道，執行對月球的探測任務。

在進入環月軌道前，“嫦娥一號”需要進行9至10次的變軌。其中最為關鍵的是進入地月轉移軌道時的變軌，以及進入環月軌道時的變軌。

這兩次變軌均具有短暫性和惟一性的特點。如果控制不好，就會出現撞擊月球或飛離月球的可能。因為，“嫦娥一號”的飛行路線并不是一條直線，所以它的飛行距離遠不止38.4萬公里。在這樣漫長、復雜的太空旅程中，軌道的設計以及途中對火箭和衛星的控制、測量都是需要面對的難關。

“火箭與衛星在飛行當中必須有一個參考系，就像船在大海航行，必須有個燈塔指令航程，所以飛行過程中需要很多的參考機制，這些都是控制上的問題。”中國科學院院士、中國運載火箭技術研究院火箭彈道設計專家余夢倫說。

上世紀六七十年代，美國“阿波羅”載人飛船在軌道設計時，從宇航員保障考慮，盡量縮短行程的時間，來回只用了8天3小時18分鐘，焦維新介紹說。

這次“嫦娥一號”在軌道設計上，對時間的考慮則顯得從容得多。“飛到月球附近需要10至12天。”繞月探測工程衛星系統副總設計師孫澤洲說。

談到與阿波羅計劃的區別，焦維新說：“雖然軌道大同小異，但我們(指‘嫦娥一號衛星)不是進入停泊軌道以后就直接加速進入地月轉移軌道，還要經過幾個大橢圓軌道，等待最佳變軌時機，這樣既便于控制，又可以節省燃料。”

他進一步解釋說，衛星在停泊軌道的速度大約是7.7公里／秒，如果一下子加大到進入地月軌道時所需的10.9公里／秒，速度的增幅過大，控制難度較大。但通過多次加速，經過幾個大橢圓軌道，每次速度提高一點，便于控制。同時，選擇最佳時機變軌，可以盡量減少對衛星速度的調節次數，降低能量的消耗。

除了軌道設計和控制系統之外，余夢倫指出，衛星是否適應此前沒有遇到過的深空環境以及實現長距離的通訊，都是將要面臨的考驗。

月球上有很多礦產資源，特別是月壤中的氦-3

“嫦娥一號”完成繞月探測任務后，中國的探月工程將展開新的目標。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006～2020年)》中，月球探測工程被設想為三期，簡稱為“繞、落、回”三步，2020年前后完成。

但載人登月尚未列入計劃之中。

第二步為“落”，即發射月球軟著陸器，并攜帶月球巡視勘察器(俗稱月球車)，在著陸器落區附近進行就位探測，這一階段將主要突破在地外天體上實施軟著陸技術和自動巡視勘測技術。

第三步為“回”，即發射月球釆樣返回器，軟著陸在月球表面特定區域，并進行分析采樣，然后將月球樣品帶回地球，在地面上對樣品進行詳細研究。這一步將主要突破返回器自地外天體自動返回地球的技術。

這三個階段的關系是遞進銜接，每一步都對前一步深化，并為下一步奠定基礎。“繞”是全球性、整體性與綜合普查；“落”是區域性精細就位分析，“回”是樣品返回地面后的試驗室精準分析。

中國的探月工程也把目標直接指向了月球上的資源。中國科學院地球化學研究所研究員歐陽自遠院士多次表示，月球上有很多礦產資源，特別是月壤中的氦一3，是地球上稀有的核聚變燃料。而“嫦娥一號”的任務之一就是探測月壤特性。

也有科學家認為探月計劃的目標不宜定位為月球資源開發，首先要考慮成本，現在地面上的氘和氚資源很豐富，電解后就可以使用，到月球上開發氦-3缺乏可行性論證。

但爭議無法阻止人類探月的腳步。焦維新的這段話或許說明了其中的緣由：“如果太空是一片浩瀚的海洋，那么月球就是離我們最近的島嶼。想出海，怎么能不先踏足這座島嶼呢?”