月球探測(cè)

魏蕾

月球，作為地球的天然衛(wèi)星，是距離地球最近的天體。從人類探索浩瀚宇宙的歷程看，對(duì)月球的探測(cè)為人類邁向比月球更遠(yuǎn)的其他天體奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2017年頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，要求學(xué)生“了解人類對(duì)宇宙的探索歷史，關(guān)注我國(guó)及世界空間技術(shù)的最新發(fā)展”。在中國(guó)科學(xué)技術(shù)館，可以通過(guò)“太空探索”展區(qū)的展品“月球科考”和“嫦娥與玉兔”了解月球的奧秘及我國(guó)的探月進(jìn)展。

月球科考

1971年7月31日，美國(guó)“阿波羅15號(hào)”飛船的宇航員大衛(wèi)·斯科特和詹姆斯·艾爾文實(shí)現(xiàn)了人類首次在月面駕駛月球車，他們駕駛月球車行駛了數(shù)千米，共收集了約77千克月球巖石標(biāo)本。通過(guò)展品“月球科考”，可以模擬體驗(yàn)駕駛月球車在月面上行駛。

該展品由2個(gè)未來(lái)月球車三軸振動(dòng)平臺(tái)及投影等組成（見(jiàn)圖1），利用虛擬現(xiàn)實(shí)和三軸振動(dòng)平臺(tái)技術(shù)，讓觀眾體驗(yàn)虛擬駕駛月球車在月面行駛并執(zhí)行科考任務(wù)。展品以未來(lái)人類登月后建設(shè)月球基地為故事背景，2名觀眾以比賽的形式駕駛月球車執(zhí)行月球科考任務(wù)，尋找水冰資源、氦-3資源或玉兔號(hào)巡視器，每個(gè)任務(wù)都分布在月球上不同的地點(diǎn)，觀眾可以領(lǐng)略不同的月面風(fēng)貌。觀眾坐在模擬月球車的座椅中，佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，通過(guò)座椅兩側(cè)扶手上的按鈕與搖桿虛擬駕駛月球車在月面行駛，三軸振動(dòng)平臺(tái)會(huì)根據(jù)觀眾經(jīng)過(guò)的月面路況模擬起伏振動(dòng)，猶如真實(shí)地在月面上行駛，從而讓觀眾身臨其境地感受月球地貌。此外，投影屏中會(huì)實(shí)時(shí)顯示觀眾在月面行駛的第三視角畫面，其余觀眾可從投影屏中觀看參與觀眾在月面執(zhí)行任務(wù)的情況。

從虛擬駕駛月球車的體驗(yàn)過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)月球表面是起伏不平的，分布著許多月海、高地和撞擊坑。月海是指月球上地形相對(duì)低洼的大型盆地。當(dāng)我們仰望夜空，會(huì)看到月球上有大大小小的深色斑塊，那就是月海。絕大多數(shù)月海分布在月球正面，約占正面面積的一半，而在月球背面月海分布極少（見(jiàn)圖2）。高地是指月球表面高出月海的地區(qū)，一般比月球水準(zhǔn)面高2～3千米，它是月面最古老的地形單元。高地的反照率比較高，正是夜晚我們看到的月球上較明亮的那部分。在月球正面，高地的面積大致與月海相等。而在月球背面，高地的面積要比月海大得多。

撞擊坑是指分布在月球表面密密麻麻的凹坑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，月球表面的撞擊坑總數(shù)在33000個(gè)以上，尤其密集分布在高地的區(qū)域。撞擊坑的大小不一，小到幾十厘米或更小，而直徑大于1千米的撞擊坑的總面積約占整個(gè)月球表面積的7%～10%。月球上的撞擊坑多采用世界著名的科學(xué)家和思想家的名字命名，比如我們耳熟能詳?shù)母绨啄?、第谷、伽利略等，以及我?guó)古代科學(xué)家張衡、祖沖之、郭守敬等。此外，在月球上也有一些與地球上相似的山脈，它們多以地球上的山脈名稱命名，如阿爾卑斯山脈、亞平寧山脈、高加素山脈等（見(jiàn)圖3）。

嫦娥與玉兔

我國(guó)于2004年正式啟動(dòng)探月工程，實(shí)行繞、落、回三步走計(jì)劃。嫦娥一號(hào)于2007年10月24日成功發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)月球探測(cè)從無(wú)到有的歷史性突破，圓滿完成了一期“繞月”使命。嫦娥二號(hào)于2010年10月1日成功發(fā)射，作為探月工程二期“落月”的先導(dǎo)星，成功試驗(yàn)了探月工程二期部分關(guān)鍵技術(shù)并對(duì)預(yù)選落月區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)探測(cè)。2013年12月14日，嫦娥三號(hào)在月面順利軟著陸，首次實(shí)現(xiàn)了我國(guó)航天器在地外天體軟著陸。2019年1月3日，嫦娥四號(hào)安全著陸于月球背面，實(shí)現(xiàn)了人類探測(cè)器首次在月球背面軟著陸，為人類揭開(kāi)了古老月背的神秘面紗。隨著嫦娥系列探測(cè)器的發(fā)展，我國(guó)對(duì)月探測(cè)能力不斷提高，從展品“嫦娥與玉兔”中可以一睹嫦娥系列探測(cè)器的風(fēng)采。

該展品由嫦娥探測(cè)器高仿真模型、展臺(tái)、投影等部分組成（見(jiàn)圖4）。觀眾可以近距離觀看嫦娥探測(cè)器1：1高仿真模型，并通過(guò)投影內(nèi)容了解探測(cè)器相關(guān)科學(xué)任務(wù)及探測(cè)成果。從2016年“太空探索”展區(qū)開(kāi)展至2019年1月，該展品展示了嫦娥三號(hào)探測(cè)器，觀眾可以近距離觀看嫦娥三號(hào)著陸器和巡視器（玉兔號(hào)）的高仿真模型，結(jié)合圖文講解了解其結(jié)構(gòu)和功能，并通過(guò)投影查詢嫦娥三號(hào)探測(cè)器在月面拍攝的真實(shí)影像。2019年1月之后，根據(jù)我國(guó)探月工程的最新動(dòng)態(tài)，該展品更新為嫦娥四號(hào)探測(cè)器的相關(guān)內(nèi)容，觀眾在此可以看到嫦娥四號(hào)著陸器和巡視器（玉兔二號(hào)）的逼真面貌，了解我國(guó)空間技術(shù)的最新發(fā)展。

從投影的多媒體內(nèi)容中可以了解到嫦娥四號(hào)任務(wù)的順利完成離不開(kāi)一個(gè)重要的功臣——“鵲橋”中繼衛(wèi)星。由于潮汐鎖定的作用，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演化，月球繞地球公轉(zhuǎn)的方向、周期和月球自轉(zhuǎn)的方向、周期都趨于相同，導(dǎo)致月球總有一面是背對(duì)著地球的。這就好比甲、乙兩人始終手拉手，甲在原地轉(zhuǎn)圈，乙以甲為中心做圓周運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中兩人總是面對(duì)面，無(wú)法看到對(duì)方的背面。嫦娥四號(hào)的任務(wù)是要在月球背面實(shí)現(xiàn)軟著陸，但是著陸在月球背面的嫦娥四號(hào)會(huì)受到月球自身的遮擋，無(wú)法直接與地球?qū)崿F(xiàn)通信。因此，需要通過(guò)“鵲橋”中繼衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)在月球背面的嫦娥四號(hào)與地面站的中繼通信。

“鵲橋”中繼衛(wèi)星于2018年5月21日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。經(jīng)過(guò)多天飛行，于2018年6月14日順利進(jìn)入環(huán)繞距離月球約6.5萬(wàn)千米的地月拉格朗日L2點(diǎn)的Halo使命軌道，成為世界上首顆運(yùn)行在地月L2點(diǎn)Halo軌道的衛(wèi)星。地月拉格朗日L2點(diǎn)位于地球和月球連線的延長(zhǎng)線上，是地月的引力平衡點(diǎn)之一?！谤o橋”在該點(diǎn)附近，受地球和月球的引力之和使其可以與月球同步繞地球運(yùn)動(dòng)，與地球和月球處于幾何關(guān)系幾乎不變的狀態(tài)，并能夠連續(xù)對(duì)地球和月球背面同時(shí)可見(jiàn)，確保其一直與著陸于月球背面的嫦娥四號(hào)保持通訊，并與地面站建立聯(lián)系;受地球和月球的影響小，所需的軌道維持燃料較少;很少被地球或月球遮擋，光照條件好，能獲得豐富的太陽(yáng)能（見(jiàn)圖5）?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，“鵲橋”中繼衛(wèi)星為地球和38萬(wàn)千米外的月球背面搭起了一座最長(zhǎng)的“橋”。在“鵲橋”的輔助下，嫦娥四號(hào)著陸器和玉兔二號(hào)巡視器已順利在月球背面開(kāi)啟漫漫的科學(xué)探測(cè)工作。

探月之路，遙遠(yuǎn)漫長(zhǎng)，每一步都蘊(yùn)含了無(wú)數(shù)航天人的艱辛付出。登上月球背面為人類打開(kāi)了通往神秘宇宙的大門，是人類探索太空這萬(wàn)里長(zhǎng)征中的重要一步。“不積跬步，無(wú)以至千里”，探索浩瀚宇宙永無(wú)止境。