中国的探月计划
重返月球,开发月球资源,建立月球基地已成为世界航天活动的发展趋势和热点。中国在发展人造地球卫星和载人航天之后,开展以月球探测为主的深空探测,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。
中国人为何探月?
中国在应用卫星技术方面已有30多年的成功经验,随着载人航天取得重大的突破,目前只有深空探测尚未开展。深空探测是航天活动的重要领域之一,月球探测是深空探测的起点,是一个国家综合国力和科学技术水平的重要体现,中国理应在月球探测领域占有一席之地。
开展月球探测将填补我国在月球及行星探测方面的空白,为中国改变航天领域的落后局面,迎头赶上国际先进水平提供了良好的机遇,有利于进一步确立我国的地位,扩大中国在全球的影响。我国第一颗人造地球卫星和第一艘载人实验飞船的成功发射是中国航天发展史中的两个重要里程碑,探月工程将成为中国在航天技术发展里程中的又一块里程碑。载人航天距地球飞行的轨道是200-300公里,应用卫星所达到的轨道高度是3-4万公里,而月球探测所需要的距离将近40万公里,这将使中国航天技术水平得到比较大的提升,也为中国对宇宙空间的认识提供一个比较好的平台。
月球探测工程是一项多学科、高科技集成的系统工程,实施这样的战略工程,将推进航天工程系统集成、深空测控通信、新型运载火箭和航天发射等航天技术实现跨越式发展,从而保持中国进入空间能力的不断提高。同时,探月工程也必将带动信息、材料、能源、微机电、遥科学等其它新技术的提高,对于促进中国社会经济的发展具有重要意义。探月工程还将促进中国基础科学的全面发展。月球是研究天体物理学、天文学和材料科学的“沃土”,月球探测将推进宇宙学、比较行星学、月球科学、地球行星科学、空间物理学、材料科学、环境学等学科的发展,而这些学科的发展又将带动更多学科的交叉渗透。
中国探月万事俱备
从1962年,我国科学界就开始了对“月球号”、“徘徊者”、“勘测者”、“月球轨道”和“阿波罗”等月球系列探测器进行跟踪性与综合性研究,参与了Apollo-17样品的研究工作,与美国、英国、德国、俄罗斯、日本开发了不同程度的合作性研究,积累了相当的研究基础,形成了一批年龄和知识结构合理的基础研究队伍。在工程技术方面,我国现有的运载火箭与发射扬能适应发射月球探测器的基本要求;月球探测器的各分系统如结构、热控制、姿控、轨控、电源、测控、数据管理等系统大部分可继承已有的研制成果;我国已具有多年研制空环境探测器和空间遥感器的能力与经验;我国现有的地球测控网完全能完成月球探测、遥测、遥控。所有这些都为实施我国月球探测任务提供了必要的基础设施。中国开展月球探测已经具备了相当的实力。
中国探月三步走
综合国际上月球探测的成果及世界各国“重返月球”的战略目标和实施计划,根据我国的科技水平、综合国力和国家整体发展战略,近期的月球探测以不载人月球探测为宗旨,分为“绕”、“落”、“回”三步。(左图)
绕:3年内,中国的第一个月球探测器将开始绕月飞行,命名为“嫦娥1号”。它将对月球进行全球性、整体性与综合性探测。主要目标是:获取月球三维立体图像,并对月球表面的环境、地貌、地形、地质构造与物理场进行探测。
落:预计在2012年发射月球软着陆器,届时软着陆器将携带月球车一起登陆月球,对月球进行月面巡视勘察,勘测着陆区域的地形地貌、地质构造、岩石成分与分布,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震,开展月基极紫外、低频射电和光学天文观测,并为月球基地的选择提供基础数据。在月球表面选择新的区域降落,展开科学考察。
回:2020年之前,发射小型采样返回舱,采集关键性月球样品返回地球,进行系统深入研究。
在基本完成不载人月球探测任务后,根据当时国际上月球探测发展情况和中国的国情国力,可进一步研究拟定中国载人月球探测战略目标和发展规划,择机实施载人登月探测以及与有关国家共建月球基地。
载人登月技术要求非常高,最基本要求是人要安全返回地球。由于沿途没有加油站,回来的东西都要带上,包括火箭,所带东西至少要30多吨重,因此必须要有运载能力强的火箭。载人登月至少要带2个飞船,30多吨的东西发射到月球后飞船要分离,一个留轨舱绕着月球转,另一个登月舱降落到月球上。登月舱飞船要平稳安全降落在月球表面,宇航员要出舱进行考察和取样等工作,还要返回登月舱,发动火箭进入绕月轨道,并与留轨舱对接;宇航员进入留轨舱后,抛射登月舱,发射火箭使留轨舱离开绕月轨道,返回地球。
“嫦娥1号”的四大科学目标
我国的第一个月球探测卫星要在确保成功的基础上,优选探测目标,确保重点,探测内容既与国际接轨,又要具有特色,不完全重复其他国家做过的工作,为月球研究和“重返月球”提供前所未有的资料,奠定我国月球探测和深空探测的地位和特色,嫦娥1号的四大科学目标为:
1.获取月球表面三维影像图。其它国家已做过的图像中存在很多空白区,我们的目标是不仅要完全覆盖全部月球,还包括从没有涉足的南北极部分区域。在中国版图内能接收月球探测卫星信号的时间每天平均只有4小时,所以接收大量卫星数据并迅速作出分析,将是形成月球数字图像的关键。
2.分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点。美国曾经对月球上5种有用元素做过分布规律与含量的探测,我们的目标是扩大到14种元素,对月球的一些有用资源进行更为全面的前景评估。还将进行国外无人涉足的月球土壤层厚度的测量,对计算月球氦3的确切含量意义重大。(右图为“嫦娥1号”卫星模拟图)
3.首次开展月球表面的微波辐射探测;
4.探测地月空间环境,这是我国首次在地球静止轨道以外获取空间环境数据,对于地球环境和人类社会的发展都至关重要。
“嫦娥1号”的五大工程目标
1.突破月球探测的关键技术,包括研究地-月飞行技术,验证航天器飞出地球并进入其他天体引力场的轨道设计与GNC系统技术。
2.实施远距离测控和通信,为深空测控与通信打下技术基础;研究月球飞行的热环境条件,验证航天器的热设计,探索深空探测器的热控解决途径等。
3.初步建立我国的月球探测工程大系统,包括运载火箭、卫星、发射场、地面测控系统和地面应用系统,根据月球探测的特点进行相应的整合与适应性修改,初步建立适应未来发展的工程大系统。
4.验证各项关键技术,获取月球探测的宝贵工程实践经验,为未来探测积累技术基础。
5.初步建立我国探月技术研制体系,培养相应的人才队伍,推动探月活动的进一步开展。
“嫦娥1号”飞行的三个阶段
“嫦娥1号”绕月工程总投资14亿元,整个飞行过程主要分为三个阶段。
1.调整轨道段:探月卫星被发射后进入地球同步椭圆轨道,探月卫星与运载火箭分离后,在近地点通过三次变轨脱离地球轨道,进入地月转移轨道;
2.地月转移轨道段:探月卫星要飞行5到6天,在进入地月转移轨道后,卫星通过自带发动机的调整有1次或更多次的轨道修正,以确保正确进入预定月球轨道;
3.环月轨道段:当卫星接近月球时,依靠反向助推开始减速制动,最终到达高度为200千米的月球极月圆轨道,进入正常工作状态。(左图为嫦娥1号发射步骤示意图)
“嫦娥1号”月球探测卫星已完成方案设计和初样设计,各项专业试验正在进行,计划2007年发射。
高能所承担项目——嫦娥1号的重要有效载荷
嫦娥1号计划在轨飞行一年,将搭载7种有效载荷,包括用于月球表面三维影像探测的CCD相机和激光高度计、用于月表化学元素与物质探测的成像光谱仪和γ/X射线仪、用于月壤厚度探测的微波探测仪、用于地月空间环境探测的太阳高能粒子探测器和太阳风粒子探测器,四大科学目标将通过它们实现。
中科院高能所承担的X射线成像谱仪是嫦娥1号卫星的重要有效载荷之一。它是一个宽谱段、高灵敏度、高可靠性的荧光X射线探测系统,综合了新型的X射线成像技术、磁场屏蔽技术、数据采集及处理方法等,用于探测月表元素受太阳X射线或宇宙射线激发产生的和天然放射元素辐射的X射线,通过数据处理获得月表主要元素的含量和分布,从而确定月球表面位置类型和资源分布;实现对1-60 keV能区全月面的成象观测,得到X射线月貌图和辐射能谱分布。其中在10-60 keV能段,将是人类首次在环月轨道上对月面的观测,很有可能会有想象不到的新发现。(右图为研制中的样机,左图为地面标定实验)
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