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44年前,阿姆斯特朗在遙遠月球邁出人類一大步。時至今日,他那張泛黃的老照片還經歷着一場戲劇性的“真假風波”。關於月球,探索或是爭議,人類從未停止向它靠近。
那麼這一回,是時候輪到你屏住呼吸了。帶着嫦娥奔月的美麗願景,透過現代化的通訊設備,我們和月球之間的距離從未如此之近。
在“嫦娥三號”發射前夕,本報專訪了中國航天科工集團公司二院研究員楊宇光,爲我們講述這臺月球探測器神奇而有趣的祕密。
殘酷月球“生存攻略”
從“嫦娥一號”到“嫦娥二號”,鑲嵌在浩瀚宇宙中的月球仍是可望而不可及,關於它的諸多謎題有待解開。“嫦娥三號”被委以重任,揭開這層神祕而又萬衆矚目的面紗。
2008年,“嫦娥三號”計劃正式啓動。5年間,爲了備戰發射這一刻,它反覆模擬、試驗,因爲月球的生存環境遠比地球殘酷。
“月球表面的溫度條件比地面苛刻得多。在那裏,低溫和高溫的範圍達到零下175攝氏度到零上120攝氏度。”楊宇光說,由於月球自轉週期爲近一個月,月球上的一個夜晚就長達十幾天。
長期以來,月球的巨大溫差成爲擺在全球“探月者”面前的一道難題。“嫦娥三號”攜帶的月球車“玉兔”號的各項地面試驗中,最爲重要的就是熱真空試驗——模擬月面環境和工作週期的各種“溫度循環”。
對於人類所有月面探測器而言,熱設計都是出行前的關鍵環節。如俄羅斯早年的月球車Lunokhod,就在月夜期間將帆板收攏起來保溫。楊宇光認爲,目前來看,使用同位素能源是深空低溫環境下探測器的普遍配置,名聲赫赫的“旅行者”一號、“好奇”號火星車等都在使用。
在月球,另一個嚴苛的條件就是空間輻射。在近地軌道附近,由於有地球磁場的保護,像空間站和神舟飛船這樣的飛行器不會遭受太嚴重的輻射。但在遠離地球磁場的月球表面,來自太陽和銀河系的輻射中的高能粒子會給“嫦娥三號”的電子設備帶來很多嚴重問題。“爲了避免過度輻射,‘嫦娥三號’在硬件上進行了加固,從軟件上也採取了各種冗餘措施加以防範。”楊宇光說。
裝備齊全能力過人
在漫長的飛行後,“嫦娥三號”將實現中國對地外天體的首次“軟着陸”,就此開啓真正的月球之旅,它渾身的精密裝備也將大展拳腳。
“軟着陸”,顧名思義,“嫦娥三號”並不會奮不顧身地投奔月球,而是慢慢地停下,每一步都經過了科學的考量。
月球從一開始就給了“嫦娥三號”考驗,“軟着陸”是一個充滿驚險的過程。“首先這是一個消耗燃料非常大的過程。月球車在懸停、避障時,需要對月面的地形、障礙物進行辨識,避開不利於垂直着陸的陡峭地形和大型的岩石等突出物。”楊宇光說。
由於地月之間有38萬公里的距離,無線電波走個來回也要2秒多,“軟着陸”的過程來不及由地面指令控制,需要完全靠計算機判斷,並且不可能完全預測。
最刺激的是在最後落月的瞬間。減速用的發動機並不是一直工作到降落,而是在距離月面還有一定高度時就停止工作,但已經將速度減到很低。最後“嫦娥三號”用很短的時間“掉”下去,但因爲速度很低,時間很短,所以不會產生大的衝擊,也不會造成損壞。
“這個過程中的關鍵設備就是月面到‘嫦娥三號’之間高度的測量,我們使用了與神舟飛船着陸類似的技術,也就是用伽瑪射線發射到月面,用探測器探測反射的伽瑪射線來確定高度。只有精確測量這個高度,由此計算出落月速度,才能實現最後的精確關機。”楊宇光說。
落月後,“嫦娥三號”將開始漫長的月球之旅,期間陪同它“探祕”的還有在世界上首次進行科學探測的近紫外光學望遠鏡、極紫外相機和測月雷達。
楊宇光認爲,測月雷達的意義非常大,因爲過去沒有能夠探測如此深度的月面巡視器。“我們所說的月面的‘氦-3’資源——可用於將來的受控核聚變——以解決人類的能源問題,就存在於這個深度範圍內。”
月球基本沒有大氣,長期遭受宇宙輻射和各種粒子的沉積,因此研究月壤的結構不但有助於研究月球本身的演化歷史,還可能發現有關太陽系形成歷史的有用證據,甚至能幫助人類預測地球、月球和太陽系今後的演化,以便及早做出安排。
近紫外望遠鏡安裝在“玉兔”號月球車的“母艙”——着陸器上。這對於月基天文學來說是開創性的,因爲月面的觀測條件遠比地球表面好,而着陸器的穩定性也優於地球軌道附近的天文望遠鏡。
另外,“嫦娥三號”的遙測系統,可以將相機、雷達獲得的圖像、數據轉換成電信號,利用遙測系統的發射機通過無線電波傳回地面。“嫦娥三號”本身不可能將樣本帶回,由於重量原因也沒有“好奇號”那樣可進行各種詳細分析的實驗室,但可以對月壤、月岩的採樣進行初步的分析。
載入登月史冊
“嫦娥三號”無疑將在我國“繞、落、回”三步走的探月計劃中,寫下濃重的一筆,開啓一道厚重的探月之門。它將被載入人類的登月史冊。
在此之前,同樣被銘記的還有美國阿波羅月球車和前蘇聯月球車。在“嫦娥三號”還未真正露面之前,它就已經頻頻與這兩位“前輩”相提並論。
“阿波羅”是有人駕駛的月球車,不要求自動化,且時間很短,單從月面巡視技術本身的角度來講難度不大。所以雖然行動範圍很大,但不能說明技術就更高。蘇聯月球車要靠地面團隊遙控,兩個月球車任務都專門組織了地面團隊進行操控,在70年代對無人探測器來說難度非常大。
楊宇光說,“玉兔”號月面巡視器的構造與目前美、歐設計製造的大部分天體表面巡視器的構型是類似的。都採用六輪結構,這對於依靠自主運行的月球車,保障其可靠行進來說是比較穩妥的選擇。能源系統採用太陽能電池板和蓄電池,不但爲驅動車輪行進和科學探測儀器提供能源,也爲月夜期間保溫提供保障。前端臂杆上安裝的相機,在行進過程中需要進行圖像識別,相當於行進過程中的“左右眼”。
在“嫦娥三號”之後,就要實施第三步的採樣返回計劃。那時的探測器不但需要着陸器,還要有能夠將月壤、月岩樣品帶回來的返回艙,以及讓返回艙飛離月面並準確返回降落的推進系統。整個探測器將比“嫦娥三號”大得多,要靠未來在海南發射的“長征五號”運載火箭才能發射。
楊宇光告訴記者,“繞、落、回”這三步,對於整個探月來說都屬於“探、登、駐”這三大步中的第一步“探”。第二步“登”就要實施載人登月計劃,這需要低軌道運載能力達到一百噸級的巨型運載火箭,可實施深空任務的載人飛船,以及載人的登月艙。這將是非常宏大的巨型工程項目。
在載人登月之後,第三大步“駐”是指建立長期駐留的月球基地。那時的探月活動將從探測階段進入到應用階段。也許會產生更多的直接經濟效益。但目前還沒有解決月球長期駐留、地月往返的經濟性等關鍵問題。
雖然”嫦娥三號”設計任務是90天,但因爲航天飛行任務都根據一些不確定因素而留有餘量,因此我們大可期待它運行更長時間、更廣範圍。(本報記者陳寧)