中國探月工程

文/華成 鐘吉福

編者按：

2018年，中國航天最受矚目的事件當(dāng)屬“嫦娥四號登月”，它將是世界上第一個在月球背面軟著陸，并且進行巡視探測的航天器。為了讓大家更加了解我國的探月工程，《百科探秘·航空航天》特別邀請到陜西中天火箭公司的華部長和航天五院的鐘主任來為大家分享中國的探月歷程以及中國航天未來的發(fā)展方向。

探月的重要意義

美國于20世紀(jì)60年代至70年代初組織開展了阿波羅探月計劃，歷時11年，耗資255億美元，終于在1972年成功將航天員送上了月球。乘坐阿波羅11號的尼爾·阿姆斯特朗成為第一個踏上月球的人。“這是個人的一小步，卻是人類的一大步”，人類征服月球的旅程由此拉開序幕。迄今為止，美國共將12名航天員陸續(xù)送上了月球。

發(fā)射人造地球衛(wèi)星、載人航天和深空探測是目前人類航天活動的三大領(lǐng)域。重返月球，開發(fā)月球資源，建立月球基地已成為世界航天活動的必然趨勢和競爭熱點。開展月球探測工作是我國邁出航天深空探測的重要一步。月球具有可供人類開發(fā)和利用的諸多珍貴資源，如月球土壤及土壤中的各種元素（鋁、鐵、鈦、錳、鎂、鉻、氦-3等）就是對地球資源的重要補充，能夠?qū)θ祟惿鐣目沙掷m(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。

中國探月計劃的啟動與實施

中國的探月工程醞釀了10年之久，自1994年的可行性論證開始，通過多年的分析研究，2004年“嫦娥工程”正式立項。探月任務(wù)的重點集中在繞月探測、月球三維影像分析、月球有用元素和物質(zhì)類型的全球含量與分布調(diào)查、月壤厚度探查以及地月空間環(huán)境探測幾個方面，其核心目的就是探測和利用月球資源。

中國整個探月工程分為“繞”“落”“回”三個階段。

第一步為“繞”，即發(fā)射我國第一顆月球探測衛(wèi)星，突破至地外天體的飛行技術(shù)，實現(xiàn)月球探測衛(wèi)星繞月飛行。通過遙感探測，可以獲取月球表面的三維影像，探測月球表面有用元素含量和物質(zhì)類型以及月壤特性，幫助我們更好地了解地月空間環(huán)境。

第二步為“落”，即發(fā)射月球軟著陸器，突破至地外天體的著陸技術(shù)，并攜帶月球巡視勘察器，進行月球軟著陸和自動巡視勘測，探測著陸區(qū)的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖石的化學(xué)與礦物成分和月表的環(huán)境，進行月巖的現(xiàn)場探測和采樣分析以及日—地—月空間環(huán)境監(jiān)測與月基天文觀測。具體方案是用安全降落在月面上的巡視車、自動機器人探測著陸區(qū)巖石與礦物成分，測定著陸點的熱流和周圍環(huán)境，進行高分辨率攝影和月巖的現(xiàn)場探測或采樣分析，為以后建立月球基地的選址提供月面的化學(xué)與物理參數(shù)。

第三步為“回”，即發(fā)射月球軟著陸器，突破自地外天體返回地球的技術(shù)，進行月球樣品自動取樣并返回地球的任務(wù)，在地球上對取樣進行分析研究，深化對地月系統(tǒng)的起源和演化的認識。此階段的目標(biāo)是月面巡視勘察與采樣返回。

“嫦娥”月球探測衛(wèi)星家族

嫦娥一號

嫦娥一號月球探測器是我國自主研制并發(fā)射的首顆繞月衛(wèi)星，由中國空間技術(shù)研究院承擔(dān)研制。嫦娥一號的主要任務(wù)是獲取月球表面三維影像、分析月球表面有關(guān)物質(zhì)元素的分布特點、探測月壤厚度、探測地月空間環(huán)境等。

嫦娥一號的任務(wù)是在距月球表面200千米的圓形極地軌道上運行，周期為1年，任務(wù)結(jié)束后不再返回地球。北京時間2007年10月24日18時05分左右，嫦娥一號探測器從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長征三號甲運載火箭成功發(fā)射。衛(wèi)星發(fā)射后，在大約9天的時間內(nèi)完成了調(diào)相軌道段、地月轉(zhuǎn)移軌道段和環(huán)月軌道段飛行。經(jīng)過8次變軌后，嫦娥一號于11月7日正式進入工作軌道。11月18日衛(wèi)星轉(zhuǎn)為對月定向姿態(tài)，11月20日開始傳回探測數(shù)據(jù)。11月26日，中國國家航天局正式公布嫦娥一號傳回的第一幅月面圖像。2009年3月1日16時13分，嫦娥一號在控制下成功撞擊月球，為我國月球探測一期工程畫上了圓滿的句號。

嫦娥二號

嫦娥二號月球探測器是嫦娥一號的“姐妹星”。由于嫦娥二號的主要任務(wù)是獲得更清晰更詳細的月球表面（包括極區(qū)）影像數(shù)據(jù)，因此衛(wèi)星上搭載的CCD照相機的分辨率較嫦娥一號更高，其他探測設(shè)備也有所改進。嫦娥二號發(fā)射重量相比嫦娥一號增加了130千克，燃料能夠提供約每秒2.3千米的總速度增量。在測控數(shù)傳能力方面，嫦娥二號使用了LDPC編碼功能，新增了工程載荷數(shù)據(jù)傳輸通道，可支持距地2 000萬千米遠的數(shù)據(jù)傳輸。在機動飛行能力方面，嫦娥二號在加速度計的測量區(qū)間、姿態(tài)控制補償、燃料量預(yù)估等方面都進行了設(shè)計改進，提升了軌道控制精度。不僅如此，嫦娥二號還采用了實時和延時強制卸載手段，實現(xiàn)姿態(tài)與軌道的耦合控制；使用自主慣性對準(zhǔn)功能，提高了軌道控制自主性；設(shè)計新增大推力軌道維持功能，提高了控制精度和自主性，將推進系統(tǒng)工作壽命從3個月提升到6個月以上。

嫦娥二號于2010年10月1日18時59分57秒，從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長征三號丙火箭成功發(fā)射。10月2日凌晨3點39分左右，嫦娥二號完成第一次地月成像。10月6日上午11時06分35秒，嫦娥二號被月球捕獲，進入環(huán)月軌道成功實施第一次近月制動，32分鐘后，衛(wèi)星順利進入周期約12小時的圓環(huán)月軌道。2012年12月15日，嫦娥二號飛離日—地拉格朗日L2點195天后，到達距地球約700萬千米遠的深空，與圖塔蒂斯小行星由遠及近擦身而過。至此，嫦娥二號再拓展試驗成功，嫦娥二號任務(wù)圓滿完成。嫦娥二號目前已經(jīng)成為太陽系的小行星，圍繞太陽在圓軌道上運行，預(yù)計會在2020年前后回到地球附近。

嫦娥三號

從嫦娥三號月球探測器開始，“嫦娥工程”進入第二階段。嫦娥三號是中國第一個在月球軟著陸的無人登月探測器，是由月球軟著陸探測器和玉兔號月球車組成。嫦娥三號突破了月面軟著陸、月面巡視勘察、深空測控通信與遙控操作、深空探測運載火箭發(fā)射等關(guān)鍵技術(shù)；具備了月面軟著陸探測的基本能力，建成了月球探測航天工程基本體系。其主要任務(wù)包括：月球表面形貌與地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查、月球表面物質(zhì)成分和可利用資源調(diào)查、地球等離子體層探測和月基光學(xué)天文觀測。

嫦娥三號于2013年12月2日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長征三號乙運載火箭送入太空，當(dāng)月14日成功軟著陸于月球雨海西北部，15日完成著陸器與巡視器分離，并陸續(xù)開展了“觀天、看地、測月”的科學(xué)探測及其他預(yù)定任務(wù)。2013年12月16日，官方宣布嫦娥三號任務(wù)獲得成功。2016年8月4日，嫦娥三號正式退役，從此永久地留在了月球上。

自2013年12月14日月面軟著陸以來，嫦娥三號創(chuàng)造了在月工作時間最長紀(jì)錄，其拍攝的月面高清照片包含了大量科學(xué)信息。目前，這些照片和數(shù)據(jù)已向全球免費開放共享。

嫦娥四號

嫦娥四號月球探測器，簡稱“四號星”，是嫦娥三號的備份星。嫦娥四號將實現(xiàn)月球軟著陸和巡視探測任務(wù)，繼續(xù)更深層次、更加全面地獲取月球地質(zhì)、資源等方面的信

息，完善月球的檔案資料。值得一提的是，嫦娥四號將是世界首顆在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器。

2018年4月24日，嫦娥四號中繼星被命名為“鵲橋”；5月21日，“鵲橋”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。在二期工程中，我國將實現(xiàn)四個“第一”：研制并發(fā)射我國第一個地外天體著陸探測器和巡視探測器；第一次利用長征三號乙運載火箭發(fā)射地月轉(zhuǎn)移軌道航天器；第一次建立和使用深空測控網(wǎng)進行測控通信；第一次實現(xiàn)月球軟著陸、月面巡視、月夜生存等重大突破，開展月表地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造、礦物組成和化學(xué)成分、月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地月空間與月表環(huán)境等探測活動，建成基本配套的月球探測工程系統(tǒng)。此外，我國還將實現(xiàn)三大首創(chuàng)性科學(xué)研究：對月球背面的環(huán)境進行研究；對月背表面、淺深層、深層進行研究；因月球背面不受太陽影響，故在月球背面和中繼星上分別安裝低頻射電探測儀。

嫦娥五號

嫦娥五號月球探測器將是中國首個實施無人月面取樣返回的航天器，它將在探月工程三期中完成月面取樣返回任務(wù)，是中國探月工程的收官之作。嫦娥五號重8.2噸，由軌道器、返回器、著陸器、上升器四個部分組成，將由我國目前推力最大的長征五號運載火箭從海南文昌航天發(fā)射場進行發(fā)射。嫦娥五號預(yù)計2019年發(fā)射，采集月球樣品并返回地球，全面實現(xiàn)月球探測工程“三步走”戰(zhàn)略目標(biāo)。

嫦娥五號將突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，攜帶月球巖石樣本回到地球，完成我國探月工程三步走中“回”的任務(wù)。嫦娥五號的研制和實施，將首次實現(xiàn)月面自動采樣返回等航天技術(shù)的飛躍，完善中國的月球探測航天工程體系，為后續(xù)載人登月和深空探測工程奠定基礎(chǔ)。通過實施嫦娥五號無人月球采樣返回任務(wù)，中國在月球科學(xué)研究方面將更進一步：開展著陸點區(qū)域形貌探測和地質(zhì)背景勘察，獲取與返回樣品相關(guān)的現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)與實驗室分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系；對月球樣品進行實驗室研究，分析著陸點月表物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、成分及物理特性，深化月球成因和演化歷史的研究。

中國探月工程進展及未來星空探索展望

目前，我國的探月工程已經(jīng)進行到第三期工程階段，主要目標(biāo)是月面巡視勘察與采樣返回。前期需要研制和發(fā)射新型軟著陸月球巡視車，可以在著陸區(qū)進行巡視勘察，而后便開始研制和發(fā)射小型采樣返回艙、月表鉆巖機、月表采樣器、機器人操作臂等，采集月球上關(guān)鍵性樣品返回地球，為下一步載人登月探測、月球前哨站的選址等工作提供數(shù)據(jù)資料。

中國探月工程三期再入返回飛行試驗任務(wù)返回器交接儀式和開艙儀式于2014年11月2日上午舉行，全部搭載物品順利取出，標(biāo)志著中國探月工程三期的再入返回飛行試驗獲得圓滿成功。

預(yù)計2020年左右，我國將發(fā)射嫦娥六號探測器，它是嫦娥五號的備份星，能夠?qū)嵤┰虑虮趁娌蓸臃祷厝蝿?wù)。另外，我國還計劃在未來五年、十年，開展兩次以機器人為代表的月球南北極探測，或?qū)⒔ㄔ煸虑蚧亍?/p>

未來，星際太空開拓還是以空間站及登月工程為基礎(chǔ)。在完成三個工程期的探月工程任務(wù)后，我國將深入開展對月球及宇宙深空的探索，重點突破深空探測器和大型運載火箭研制的關(guān)鍵技術(shù)，提升工程能力，滿足深空領(lǐng)域科學(xué)探測的需求。未來的深空探索除了包含無人和載人的月球探測外，還將同時展開新一輪深空探測，包括掌握無大氣天體的環(huán)繞著陸技術(shù)、發(fā)展火星探測器、形成能夠達到距地球約4億千米遠的深空探測能力。未來十五年內(nèi)，我國計劃實施“深空探測一期工程”計劃。該計劃包括對火星、小行星和木星的探測。2020年左右，我國計劃發(fā)射首個火星探測器，在取得成功的基礎(chǔ)上，再實施第二次火星探測任務(wù)，進行火星表面采樣返回，開展火星構(gòu)造、物質(zhì)成分、火星環(huán)境等科學(xué)分析與研究。

太空基地、星際飛船等一系列科學(xué)設(shè)想雖然還只是存在于科幻小說當(dāng)中，但隨著探月工程、深空探測工程的一一實現(xiàn)，這些設(shè)想必將幻化成真。而這漫漫征程都將以探月工程為基礎(chǔ)，在無垠的宇宙中一步步展開。