从“嫦娥奔月”到“嫦娥工程”

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  1984年,联合国通过了《指导各国在月球和其它天体上活动的协定》,协定中规定了月球及其自然资源是人类的共同财产,任何国家、集团和个人不得据为己有。但是,早开发,早受益,仍然是不可改变的客观事实。
  中国作为一个世界大国和主要航天国家,中国航天经过几十年的发展,在技术水平上具备了开展月球探测的基本条件,作为联合国《指导各国在月球和其它天体上活动的协定》的签约国,中国理应在这一领域占有一席之地。中国在发展了人造卫星和载人航天后,适时开展以月球探测为主的深空探测,是航天活动的必然选择,也是中国航天事业持续发展,有所作为,有所创新的重大举措。“上九天揽月”,早日踏上月球这片灰色的土地,成为炎黄子孙的期盼。
  2004年初,我国政府正式宣布启动绕月探测一期工程,并命名为“嫦娥工程”,第一颗绕月卫星被命名为“嫦娥一号”。著名航天专家孙家栋院士任工程总设计师,原国防科工委副主任、国家航天局局长栾恩杰任工程总指挥,著名科学家欧阳自远院士任首席科学家。自此,中国人迈开了向月球挺进的脚步。
  就像其他国家都为自己的月球探测工程取一个名字一样,中国的月球探测工程取了一个非常浪漫的名字,叫“嫦娥工程”,第一颗绕月卫星被命名为“嫦娥一号”。
  为什么中国的月球探测工程叫“嫦娥工程”,第一颗月球探测卫星叫“嫦娥一号”呢?早在论证酝酿开展我国月球探测工程的时候,有关部门就开始为到底为这个具有重大历史意义的航天工程取一个什么名字而犯难,经过广泛讨论和征求意见,在众多的名字中,有关部门选中了“嫦娥”二字。在中国的神话中,嫦娥是一位不甘寂寞而勇敢地飞往月球的女神,“嫦娥奔月”的故事家喻户晓,“嫦娥”几乎成为美丽、勤劳、勇敢的象征,以她的名字命名中国的月球探测工程,充分展现出中国人对造访月球的强烈渴望和实现飞往月球梦想的决心。
  
  我国为什么要搞“嫦娥工程”
  
  人们不禁要问,世界上已经发射了一系列月球探测器,美国人早在1969年就将航天员送上了月球,时隔30多年后,我国为什么还要实施“嫦娥工程”呢?
  中国作为发展中国家,根本任务是发展经济,提高人民生活水平,推进国家现代化建设。中国政府一贯主张以和平的目的探索月球和外层空间,扩展和深化对地球和宇宙的认识;一贯主张和平利用月球资源和外空资源,促进人类文明和社会发展,造福全人类。中国开展月球探测活动,就是遵循着中国政府发展航天技术的一贯宗旨,为了促进科技发展,推动社会进步而进行的。实施“嫦娥工程”,具有经济、科技和国家发展战略等方面的重大意义。
  1、实施“嫦娥工程”,可以充分展示综合国力,增强民族凝聚力。与实施载人航天工程一样,月球探测是一个国家综合国力的体现,是航天技术发展水平的象征,是提升国家地位的载体,是一个国家科学技术发展水平的重要标志。
  2、实施“嫦娥工程”,是维护我国月球权益的需要。尽管联合国在1984年通过的《指导各国在月球和其它天体上活动的协定》(简称《月球条约》)中规定,月球及其自然资源是人类的共同财产,任何国家、团体和个人不得据为己有。但是,随着当前主要航天国家和组织正加紧实施月球探测计划,如何保证履行《月球条约》规定的权利、义务已成为世界各国不能不关注的问题。作为联合国外空委员会的成员国,我国只有开展月球探测并取得一定成果,才具有履行《月球条约》和分享开发月球权益的实力,才能维护我国的合法权益。
  


  3、实施“嫦娥工程”,将带动和促进我国基础科学和高科技的发展。月球探测是促进科学技术进步和发展的重要载体。实施“嫦娥工程”将会促进宇宙学、比较行星学、月球科学、地球与行星科学、太阳系演化学、空间天文学、空间物理学、空间材料科学等的创新与发展,这些科学的进展又将带动更多的基础学科交叉、渗透与共同发展。
  4、实施“嫦娥工程”,将为人类开发利用月球资源做准备。人类已取得的月球探测成果表明,月球上特有的矿产和能源,是对地球资源的重要补充和储备。月球资源的开发利用将对人类社会的可持续发展产生深远影响。
  5、实施“嫦娥工程”,将促进深空探测活动的发展。深空探测是一个重要的航天领域,月球探测是深空探测的首选目标。 “嫦娥工程”的成功实施,不仅将把“嫦娥奔月”的神话变为现实,实现我国深空探测“零”的突破,而且还将使我国跨入深空探测先进国家的行列。
  6、实施“嫦娥工程”,将促进我国经济可持续发展。月球探测工程对高新技术的带动在不久的将来必然会回馈于经济,而以高新技术为动力的经济是低能耗、低污染、高效率的。美国领先于世界的信息、生物、新材料等高技术,很大部分来自对“阿波罗”工程技术的消化、优化和二次开发。我国“嫦娥工程”所带动的基础科学和高新技术的进步,会逐步在国民经济各方面进行推广应用,对于促进经济的发展将带来牵引和推动作用。
  7、实施“嫦娥工程”,将促进空间天文观测和研究的深入。月球环境,是进行空间天文学研究得天独厚的场所。月球表面的地质构造极其稳定,月球直接承受太阳的辐射,没有大气层对光线和电波的吸收、散射和折射等干扰,没有尘埃污染,没有磁场,月球的背面没有人造光源和射电的干扰,地震很微小。月球有漫长的黑夜,黑夜温度极低,这种环境为建造高精度天文观测台提供了理想的场所,在那里架设望远镜可以进行全波段的天文观测,获取地面观测系统无法得到的信息。
  8、实施“嫦娥工程”,将推动中国航天领域的国际合作。“嫦娥工程”起点高、有特色、有创新,具有很强的科学性、探索性、开放性的特点,为开展航天国际合作搭建了平台。同时,嫦娥工程的开展,对于培养一支在相关领域高素质、高水平的人才队伍,促进科学技术事业的进步,具有重大的现实意义和深远的历史意义。
  我国 “嫦娥工程”拉开月球探测大幕后,“嫦娥一号”将承载着中国人的千年梦想,“乘风好去,长空万里,直下看山河”(引自宋·辛弃疾词《太常引》),中国人将书写第一次探访另一个星球的历史篇章。我们完全有理由相信,实现中华民族千年飞天梦想的中国航天人,一定能在广袤的太空,耸立起中国航天的第三个里程碑。
  
  开展“嫦娥工程”的目的和原则
  
  我国开展“嫦娥工程”的根本目的是:掌握月球探测技术,开展月球科学探测和应用研究,参与月球资源的开发利用,维护我国的月球权益,为我国和人类可持续发展做出应有贡献。
  我国开展“嫦娥工程”的基本原则是:
  1、结合我国国情和月球探测工程的特点,坚持月球探测要服从和服务于科教兴国战略和可持续发展战略,以满足科学、技术、政治、经济和社会发展的综合需求为目的。
  


  2、月球探测具有大型科学探索活动的显著特点,高投入、高风险、高收益,月球探测工程要把推进科学技术进步的需求放在首位,力求发挥更大的作用。在发展目标上,要根据国情国力,选择有限目标,突出重点,统筹规划、远近结合、循序渐进、持续发展、形成特色、有所创新,集中力量,在关键领域实现重点突破,实施“又快、又好、又省”的月球探测策略,为深空探测活动奠定坚实的基础。
  3、充分利用国外已有的探测成果,借鉴国外月球探测工程的经验教训,坚持高起点,优选探测目标,优化技术实现途径,做一些别人没有做过的事,有一定的先进性和创新性,在填补中国月球探测空白中,形成自己的特色,为国际月球探测做出应有的贡献。
  4、月球探测具有开展国际交流与合作的有利环境和条件,要在坚持独立自主、自主创新的基础上,积极探索多层次、多渠道的国际交流与合作,从学术交流、共同研究到合作研制,逐步扩大合作规模,提高合作层次,以减少投资,争取更多成果,并实现技术上的飞跃。
  


  值得一提的是,中国国防科工委官员在阐述我国实施“嫦娥工程”理念的时候明确指出,“嫦娥工程”是一项开放的工程,“嫦娥一号”取得的数据不会被束之高阁。嫦娥工程的数据产品将根据行星数据系统标准,按处理的程度进行分级,供不同类型的专门课题研究和特殊产品制作使用,使这些数据能够为全国的科学家开展相关研究提供支持。为此,有关部门已经成立“嫦娥工程”科学应用专家委员会,向包括港、澳和台湾地区在内的大学和相关研究机构发出了邀请,得到了非常积极的响应。在这个委员会的带动下,将有大批的学者参与“嫦娥工程”的科学研究,“嫦娥工程”将取得更大的成果。有关部门还将组织对这些成果向相关领域进行转化和应用,对所获得的新认识、新发现向公众进行科学普及,让更多的人受益于这一伟大的工程。同时,我国还欢迎世界各国的科学家,通过恰当的合作方式,共同开展对“嫦娥一号”卫星取得的科学数据的研究。
  
  中国“嫦娥工程”的“三步走”发展战略
  
  中国的月球探测活动是在基本掌握了地球轨道航天器研制、发射和运行控制技术的基础上实施的,比苏联和美国早期月球探测具备了更坚实的技术基础。经过综合分析国际上月球探测已取得的成果,以及世界各国“重返月球”的战略目标和实施计划,考虑到我国科学技术水平、综合国力和国家整体发展战略,有关方面确定了“嫦娥工程”将分为“绕、落、回”三步走的发展目标。
  第一步,实现绕月飞行。 研制“嫦娥一号”月球探测卫星,在2007年实现围绕月球飞行,开展对月球的探测活动。这些探测活动包括看看月球究竟长得什么样,为月球画像,分析月球上的土与地球土有什么不一样的地方,化验各种成分的含量,测量月球的环境究竟是怎么样的,为以后探测器着陆选择着陆地点,等等。通过“嫦娥一号”月球探测卫星的发射,我国将突破从地球到月球38万千米的遥远的路途上,月球卫星怎样飞,到达月球后,卫星怎样按照地面技术人员的指挥在轨道上飞行和工作,怎样对付月球上300多摄氏度温差等月球探测的基本技术,为后续任务的开展扫清障碍。
  第二步,探测器在月面上降落。预计在2012年前后,我国将发射一颗月球软着陆器,对月球进行实地探测,这个探测器还将携带一台月球车,进行首次月球软着陆,用月球车对月球表面进行自动勘察。到那个时候,我国的月球车将缓缓地行进在月球凹凸不平的山谷和广阔的平原上,车上的照相机和其它各种探测装置都将睁大了眼睛,把所到之处看到和感受到的地形、地貌、环境、温度等信息传回到地球的数据接收站,自动机器人也将伸出长长的手臂采集月壤和月球岩石进行化学成分、矿物组成分析,还将安装月震仪、探月雷达探测月球身体内部的结构,去看看月球的五脏六腑;着陆器上还将设置一系列天文仪器,开展月球天文观测。这些工作除了可以供地面科学家进行月球有关科学的研究外,还将为以后的月球基地建设提供数据。
  第三步,探测器进行月面巡视勘察与采样返回。大概在2017年前后,我国发射的月球着陆器将再次在月面上实现软着陆,进行近距离考察,并获取月面的样品;着陆器的舱门打开后,新型月球车将从舱内缓缓驶出,分辨率更高的相机将对月球拍照。这台着陆器还将把一台月球表面钻岩机送到月球上,随着月表钻岩机的转动,所钻下来的月球内部的岩石粉末将被放到标本收集器里,灵活的机器人也将不停地伸出手臂,捡起月面的石头,放到标本收集器里。新型月球车完成了在月球表面上的探测和采集样品工作后,把采集到的标本放进返回舱,返回舱将在地面的控制下返回地面。通过这样一段时间的工作,除了采集了极有价值的样品标本供科学家研究外,也为我国月球探测的下一步目标,即载人登月探测、建立月球前哨站乃至建设月球基地的选址提供数据。
  
  


   “嫦娥工程”一期工程科学目标与工程目标
  
  在正式宣布实施“嫦娥工程”的同时,我国有关部门就规划了“嫦娥工程”三个发展阶段的科学和工程目标。
  
  “嫦娥工程”一期工程的四大科学目标
  第一个目标是为月球“画像”。通过“嫦娥一号”卫星携带的遥感器获得的数据,获取月球表面可见光三维立体影像,绘制一幅完整的三维月球地图,填补月球极区影像上的空白;划分月球表面的基本构造和地貌单元;进行月球表面撞击坑形态、大小、分布、密度等的研究;划分月球断裂和环形影像纲要图,勾画月球地质构造演化史。同时,根据月球表面三维立体影像,为月球探测的后续计划提供合适的软着陆和勘测区域范围的参考信息。
  第二个目标是在月球表面探矿。月球表面几乎囊括了地球所有的物质元素,分析月球表面有用元素及物质类型的含量和分布,是月球资源调查和开发的基础数据,也是月球科学研究的主要信息来源。“嫦娥一号”卫星将对月球表面有开发利用和研究价值的14种元素(K、Th、U、O、Si、Mg、Al、Ca、Te、Ti、Na、Mn、Cr、La等)的含量与分布进行探测;通过探测,绘制各元素的全月球分布图,月球岩石、矿物和地质学专题图,发现月表资源富集区,为月球的开发利用提供有关资源分布的数据;鉴别新的岩石类型,对月球的组成、月球地质历史等进行深入研究。
  第三个目标是给月球土壤“体检”。月球表面包裹着一层灰色的土壤,通过“嫦娥一号”卫星微波探测仪,进行月壤的结构和化学成分探测,同时,还进行月球表面微波辐射探测,测定月球表面的亮度温度,评估月壤的厚度,首次对月球的氦-3资源量和分布进行评估,了解月球的年龄和月球的演化过程。
  第四个目标是探测地球和月球空间的环境。月球与地球空间充满了各种磁场、原始太阳风、太阳宇宙线及行星际磁场。“嫦娥一号”卫星将是我国首次在地球磁层以外,进行原始太阳风的空间物理探测。
  
  “嫦娥工程”一期工程的五大工程目标
  第一个工程目标:研制和发射我国第一颗月球探测卫星。在充分借鉴我国以往卫星研制技术的基础上,通过技术创新,研制和发射第一颗月球探测器——“嫦娥一号”卫星,实现我国月球探测卫星研制技术的突破,是整个“嫦娥工程”实施的基础和关键。
  第二个工程目标:初步掌握绕月探测基本技术。绕月探测是我国月球探测工程的第一步,该工程的核心是充分利用我国现有成熟的航天技术,研制和发射月球探测卫星,突破地球到月球飞行、远距离测控和通信、绕月飞行、月球遥测与分析等技术,实现从地球走向月球,并建立我国月球探测航天工程初步系统。
  第三个工程目标:首次开展月球科学探测。用卫星携带的探测器获取月球表面可见光三维立体影像、在月球表面探矿、进行月壤的结构和化学成分探测、探测地球和月球空间的环境,为开展科学研究提供宝贵的资料和数据。
  


  第四个工程目标:初步构建月球探测航天工程系统,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。
  第五个工程目标:为月球探测后续工程积累经验。通过一期工程实践,验证深空探测的各项关键技术,获取月球探测的宝贵工程实践经验,同时培养相应的人才队伍,推动月球探测活动的进一步开展,为未来更大规模的月球探测奠定技术基础。
  
  “嫦娥工程”一期工程的“五大系统”
  
  我国月球探测一期航天工程系统,由月球探测卫星系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统和地面应用系统五大部分组成。
  1、月球探测卫星系统:“嫦娥一号”卫星在“东方红三号”卫星平台和资源一号、资源二号卫星平台的基础上,根据月球探测任务的需要,进行了大量的技术创新和适应性修改,以满足月球探测有效载荷的需求。卫星由有效载荷与卫星平台两部分组成,采用三轴稳定姿态控制方式,工作寿命不少于1年。绕月轨道高度200±25千米,倾角90±5度。
  


  2、运载火箭系统:“嫦娥一号”卫星使用长征三号甲运载火箭发射。长征三号甲运载火箭是一种三级液体火箭,1986年3月正式研制,历时8年,1994年2月8日首次飞行取得圆满成功。火箭长52.52米,最大直径3.35米,起飞质量241吨,地球同步转移轨道运载能力2.6吨。它是一种性能稳定、技术成熟的运载火箭,完全具备将月球探测卫星送入轨道的能力。由于该火箭拥有更灵活先进的控制系统,可以在星箭分离前对有效载荷进行大姿态调姿定向,并提供可调整的卫星起旋速率,因而具有很强的适应性。
  3、发射场系统:“嫦娥一号”卫星在西昌卫星发射中心发射。西昌卫星发射中心组建于1970年,是我国专门用来发射地球同步轨道卫星的大型航天发射场,也是我国目前规模最大、设备技术最先进、具备发射多型号卫星能力的新型航天器发射场。这个发射场自20世纪80年代建成并投入使用后,多次承揽国内外卫星的发射任务。为迎接“嫦娥一号”卫星的发射和今后我国新一轮高密度卫星发射任务的到来,2005年下半年,西昌卫星发射中心协同有关单位和部门,开始对三号发射塔架及部分附属设施进行大规模改造。升级后的三号发射塔架已迈入世界领先行列,中国在国际航天发射市场上的竞争力得到进一步提升。
  4、测控系统:能够完成对航天器跟踪测量、监视控制以及实现信息交换的专用地面系统称为航天测控系统。它由地面航天测控中心、测控站、通信站、海上测量船、空中测量飞机、遥测站和航天器组成,形成三维立体测量网络。
  我国在上海佘山和乌鲁木齐分别拥有一个直径25米的天线,它们只能有4~6个小时可以用来接收卫星上的信息。为了“嫦娥工程”计划的实施,我国又在北京和昆明分别设置两个直径50米和40米的天线,这是国内最大的天线。这样在我国本土上,可用4个天线交叉干涉对近40万千米远的“嫦娥一号”卫星进行测控。
  通过合理布设测量船船位和积极开展国际合作,保证调相轨道段重要测控事件的轨道覆盖,而转移轨道段的覆盖率则可以接近100%。在“嫦娥一号”卫星长期绕月工作后,由国内一至两个测控站负责日常操作和定期的轨道维持。对“嫦娥一号”月球探测卫星的轨道测量手段,除采用传统的S频段双向测距和测速技术以外,还采用甚长基线干涉仪差分测量技术,以提高对“嫦娥一号”月球探测卫星的地面导航能力。
  


  5、地面应用系统:该系统是对“嫦娥一号”探测到的信息进行处理、实际应用和应用研究的系统。负责月球探测卫星任务的规划、探测数据的接收解译、探测数据的科学研究等。该系统由数据接收、运行管理、数据预处理、数据管理、科学应用与研究5个分系统组成。
  “嫦娥工程”的开展,既是对我国航天技术发展的一次检验,更是中国航天技术的大提升,中国航天完全有能力在现有的基础上,通过持续不断的技术创新和开拓,实现“嫦娥奔月”的梦想,使中国步入世界上月球国家的行列,实现中国深空探测“零”的突破。
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