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国际探月历程
[ 发布时间:2018-12-10 ]   [ 字号: ]

 

杨宇光

 

  月球是地球唯一的天然卫星,也是太阳系第五大卫星;它与地球的关系在太阳系中极为特殊,其质量达到了地球的八十一分之一,而太阳系其它行星的卫星远远达不到这样大的比例。实际上,地球和月球在围绕着它们的共同质心转动,因此,在天文学上专门将地球和月亮称为“地月系统”并作为一个整体去研究。月球的存在对于维持地球自转轴的稳定非常重要,而月球引力引起的潮汐作用甚至比太阳还要大。由于“潮汐锁定”的原因,月球的自转和公转速度相同,使得它总是只有一面朝向地球。
  
  对于月球形成的原因,目前有很多种假说。目前主流的观点认为月球是在45亿年前一颗火星大小的天体与地球大碰撞之后形成的。这一理论可以解释很多我们目前看到的现象,但仍不完美,随着空间技术的发展,对月球的研究越来越深入,对月亮历史的了解也将越来越准确。而月球从形成开始,就以很缓慢的速度远离地球而去。人类文明恰好出现在月球距离地球大约三十八万公里的时候。这时期从地球上看到的月亮和太阳的尺寸差不多,也就使日全食有可能发生。这不得不说是历史学家的运气:通过天文学观测,可以准确追溯日全食的发生日期,通过与史料结合,可以准确地判断很多历史时间的发生时间。
  
  月球从史前时代就一直吸引着人类的目光。我们可以从古代的神话故事、文学作品中无数次找到月亮的身影。在人类文明的发展历程中,月相的变化对历法的形成影响巨大,目前人类使用的历书,大体上就可分为反映太阳变化规律的太阳历和反映月相变化的太阴历,我国古代广泛使用的农历实际上就是太阳历和太阴历的结合。
  
  早期的月球探索
  
  古代的天文学家很早就开始观测、研究月亮,1609年,伽利略首次用天文望远镜观测月亮,使人类对月球正面的地形开始有详细的了解。但真正的飞越是在二十世纪人类进入太空时代之后才开始的。
  
  1957年,前苏联发射人类第一颗人造卫星,解决了将人造物体发射到太空的基本技术之后,马上就开始着手向月球发射探测器。发射人造卫星的运载火箭只能将物体送到近地轨道,因此需要在原来运载火箭的基础上增加一级,将探测器送到地月转移轨道。最早的发射是从1958年开始的,但经历了多次失败后,前苏联才在1959年1月2日成功发射月球1号,经历34小时的飞行之后,从距离月球5965公里的地方掠过。实际上,前苏联发射了很多的探月飞行器,但仅对取得成功或部分成功的任务命名并予以公布。最初月球1号的任务是撞击月球,但并没有达成目标。最终这一任务是月球2号在1959年9月14日完成的,它成为人类在外星球实现硬着陆的第一个物体。之后,前苏联马不停蹄地实施了第一次从月球背面拍照的任务——月球3号。由于那个年代还没有数码技术,月球3号上携带了老式的照相机,拍摄后在探测器上显影,然后用电视摄像机扫描并把信号传回地球。1959年10月,月球3号获得了月球背面的图像。这对人类来讲可说是意义非凡,体现了科学与工程上的重大成就。赫鲁晓夫甚至拿着月球背面的照片去和美国总统炫耀。
  
  五十年代末期,由于前苏联在运载火箭和人造卫星技术上先走一步,因此在月球探索上也占得先机。而美国也不甘示弱,先后发射了先驱者、徘徊者等探测器,实现了硬着陆。美苏在探月方面的竞争,是冷战时期太空竞赛很重要的一部分。在运载火箭技术、空间飞行器技术都不十分成熟的情况下,两国通过密集的发射任务不断尝试,终于在多次失败后取得了几次探测任务的成功。这些任务不但获得了更为精确的月球天文参数,也开展了人类历史上第一次地月空间的环境探测,为人类后续的探月任务打下了基础,可以说是“功不可没”。
  
  为登月做准备
  
  美国在“水星”计划中将航天员送上太空之后,肯尼迪总统宣布了在二十世纪六十年代结束之前实现载人登月的目标。前苏联虽然从未正式公开这一目标,但其航天活动也一直在为这个目标做准备。
  
  载人登陆月球,首先要掌握月面软着陆技术和绕月飞行技术。由于月球基本上没有大气层,从地月转移轨道飞向月球的探测器只能依靠自身携带的火箭发动机进行减速,最终实现以接近于零的速度降落到月面。前苏联设计的月球9号探测器在1966年1月31日发射,在距离月面75公里时开始制动,工作48秒后,在距离月面250米时将速度降到零。之后着陆器利用反推发动机缓慢降低到距离月面4米高度,由一根探针触发两个气囊充气,在气囊的保护下降落到月面。
  
  实施月面软着陆在人类太空时代的早期是非常困难的。前苏联共进行了12次尝试,只成功两次。美国直到1966年6月才由勘察者1号实现第一次软着陆。但这一时期的飞行任务为后来者积累了宝贵的经验,月球9号所使用的气囊技术,现在依然在被火星探测器使用。
  
  对于绕月飞行,需要在探测器飞抵月球的时候进行精确的制动,使其从相对于月球的逃逸轨道转移到环绕月球运行的轨道。这对航天器长时间飞行期间的测量、推进和控制都提出了更高的要求。1966年3月31日,前苏联发射了月球10号探测器,成为第一个人造月球卫星。它在月球轨道运行56天,绕飞行了460圈。所携带的磁力计、伽马射线光谱仪和红外辐射计等设备积累了大量的探测数据。而美国也在同一年8月发射的月球轨道器1号任务中实现了类似目标。
  
  六十年代开展的绕月和软着陆任务,尽管是在极高的失败率之下花费很大代价实现的,但却使人类对月球的了解进一步加深,从工程上也为后来的载人登月、月球车、无人采样返回等任务铺平了道路,具有科学和工程上的双重意义。
  
  激烈的登月竞赛
  
  人类载人航天史上最宏伟的篇章,当属二十世纪六七十年代的登月竞赛。美国通过实施“水星”计划,掌握了载人天地往返的基本技术。通过“双子星”计划,掌握了载人登月所必须的舱外行走和交会对接技术。最终通过“阿波罗”计划实现了载人登月的目标。
  
  当时的载人登月可以有多种方案选择,最终美国选择了“月球轨道交会”方案,也就是由一枚火箭一次将用于天地往返的指令舱/服务舱和用于登月的登月舱送到月球轨道,登月舱实施登月后与指令舱/服务舱在月球轨道交会对接,抛弃登月舱后由指令舱将乘组送回地球。这一方案在月球轨道交会对接阶段有较大风险,但却是所有方案中对运载能力要求最低的,仅需一枚“土星五号”火箭就可以完成一次登月任务。
  
  1968年12月,土星五号火箭将“阿波罗8号”飞船发射到绕月轨道,这是人类历史上第一次离开近地空间,近距离观测月球。1969年7月20日,阿波罗11号终于将阿姆斯特朗和奥尔德林送上月球,实现了载人登月的伟大壮举。之后又连续实施了6次载人登月任务,其中阿波罗13号虽然因服务舱故障登月失败,但却将航天员安全地抢救回地球,被誉为“虽败犹荣”。
  
  与美国相比,前苏联虽然在探月活动的早期成就辉煌,但却在载人登月竞赛中败下阵来。其核心原因是整体决策比美国要晚,却制定了更为冒进的计划,在总体可利用资源比美国少的情况下,却存在大量的重复建设。对登月至关重要的N-1巨型火箭在不经过充分地面试验的情况下就开展飞行试验,4次全部失败,成为前苏联取消登月计划的直接原因。
  
  回顾人类载人登月的历史,我们应当看到,虽然阿波罗计划取得了辉煌的成就,但这些成就是在冷战时期太空竞赛这一大背景下实现的。当时的很多计划和决策都相当冒进,使得当时两国都付出了很大的代价。前苏联因为自身不断失败,且美国已实现登月,导致已无法领先美国而取消计划。七十年代美国陷入了越战泥潭后,对科学目标不十分明确的阿波罗后续登月计划也进行了裁剪,仅保留了1972年的阿波罗17号登月任务。
  
  虽然阿波罗计划之后,人类再也没有离开过近地空间,但阿波罗计划对于人类科技和工程水平的进步的确有着巨大的贡献。在今后实施载人登月任务时,应当充分汲取阿波罗计划的经验与教训,使载人登月有着更深刻的科学意义,实现更高的效费比。
  
  月球车与无人采样任务
  
  虽然前苏联在载人登月竞赛中输给了美国,但却成功地实施了月球车和无人采样返回任务。单从这些任务本身的理念来说,具有很高的效费比。所取得的成就对于后来的无人深空探索任务有着深远的影响。
  
  从1970年9月到1976年8月,前苏联的月球16号、20号和24号先后3次成功在月面软着陆,利用探测器一根长臂上的钻头钻进月壤中取样,然后把月壤放进返回舱中,将土壤样本送回地球。虽然3次采样返回任务只取得了很少的月壤样本,无法与阿波罗计划380公斤的样本相提并论,但毕竟从月面3个不同的地点取回了样本,科学意义巨大。后来,美国和前苏联也曾交换过少量的各自样本。
  
  1970年11月17日,月球17号将月球车1号送上月球。它重达756公斤,虽然行驶速度不如美国阿波罗15号~17号携带的有人驾驶月球车速度快,但却可以在地面“驾驶员”的遥控之下在月面行驶,而且可以利用放射性同位素热源提供的热量安全度过寒冷的月夜,在技术上其实更为先进。虽然它的设计寿命只有3个月,但月球车1号携带的摄像头、X射线谱仪等设备在近1年的工作中积累了丰富的数据,行驶了10.54公里。它所携带的激光发射器,至今仍在被地面的天文台利用来进行精确的地月激光测距。此后在1973年1月由月球21号承载的月球车2号任务中,质量增加到840公斤,行驶速度提高了2倍,在近4个月的任务中行驶了超过37公里,在月面上的行驶里程记录至今未被打破。
  
  俄罗斯重启探月活动
  
  在月球-24号最后一次完成人类的月球采样返回任务后,前苏联/俄罗斯的探月活动也陷入沉寂。但今年来,俄宇航已经把载人登月作为其长期战略目标,并开展了新一代载人飞船、重型运载火箭等的研究和研制。俄罗斯还启动了月球-25号的研制任务,准备降落在月球南极的Boguslavsky陨石坑,同时也规划了为月球背面航天器提供中继服务的轨道器。
  
  月球轨道门户与月球基地
  
  随着航天技术不断走向成熟,包括日本、印度、韩国等国家也提出了自己的月面软着陆或巡视器计划,谷歌甚至设立了将飞行器送到月面的大奖,未来探月过程中将会越来越多地看到中小国家和非传统航天大国的参与,而探月过程中的商业元素也将越来越重,很多在过去极具挑战性的任务都可能由商业公司承担或以商业运作的模式开展。
  
  其中最引人注目的是美国的月球计划,从小布什政府时期重返月球的星座计划在奥巴马政府时期被取消,到目前特朗普政府再次决定先重返月球,再前往火星。美国的月球计划经历了多次反复,目前已基本成型,其核心是位于环月轨道或地月L2点的载人空间站,将以国际合作的形式邀请多国参与,其多功能猎户座飞船和SLS重型运载火箭为这一计划提供了很好的技术基础,未来还将研制基于液氢液氧推进剂的大型单级可重复使用登月舱,实现对月球表面的低成本造访,并以此为基础建设月球基地。而目前的各项无人探测任务都将为这个目标做准备。

 

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