2019年1月3日,嫦娥四号探测器着陆于月球背面南极-艾特肯盆地中的冯·卡门撞击坑。随后,玉兔二号月球车与嫦娥四号着陆器分离,月球车开展巡视探测,着陆器开展就位探测。在此之前,人类已经借助绕月卫星远距离观测过月球背面,但作为人类历史上第一次着陆于月球背面的探测器,嫦娥四号终于可以零距离地接触月背,在这片人类目光难以触达的外星土地上留下属于人类的足迹。

 

从2004年中国探月工程,即“嫦娥工程”正式启动开始,十五年间,中国已经完成了“绕”-落回三部曲中的绕和落,并首次登陆月球背面。在不久的将来,嫦娥五号将飞向月球并取样返回,完成嫦娥工程“绕”-落回三步走的全部战略目标。

 

后续,中国还计划在月球南极建立月球科研站,进一步探测确认月球两极的月坑中是否存在水冰。口碑杏3沐鸣主管与此同时,中国的深空探测也将开展,计划在不久的将来发射第一个火星探测器。

 

更为雄心勃勃的是,中国还希望探索日球层的边界,也就是太阳风能够到达的边界。”那里距离太阳系中心大约100个天文单位,人类飞行器大概要20到30年的时间才能飞到那里。我们希望有这样的机会。”中国探月工程总设计师吴伟仁介绍说。

 

 

去远方,看宇宙!中国的深空探测正在路上。

 

 

2019年4月底,《国家科学评论》(国家科学审查,NSR)采访了嫦娥工程的几位关键性人物,包括中国探月工程总设计师吴伟仁,中国探月工程首任首席科学家,领导小组高级顾问欧阳自远,以及中国探月工程三期副总设计师,嫦娥四号地面应用系统总指挥李春来,听他们解读中国月球与深空探测计划的科学意义与未来规划。

 

吴伟仁:状态很好。嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车的设计寿命分别是6个月球昼夜和3个月球昼夜,现在它们马上要开始第5个月昼的工作,也就是说,玉兔二号已经超期服役,而着陆器也即将到达设计寿命。现在玉兔二号已经在月球背面行走了180米左右,它和着陆器正在探测月球背面的地形地貌,地质结构,物质成分以及空间环境,相关的探测仪器都运行正常。(注:一个月球昼夜约为28天,其中月昼,月夜各14天,截至2019年11月5日,嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车已进入着陆后的第12个月昼,二者均已超期服役。第11个月昼结束后,玉兔二号已经行走超过300米)。

 

吴伟仁:主要的变化有两点。第一是需要发射一颗中继星,来解决地球和月球背面之间的测控通信问题。中继星“鹊桥”号在2018年5月发射升空,到达地-月拉格朗日L2点附近,它可以转发地球和月球背面之间的通信信号。

 

第二是嫦娥四号采用了新的着陆方式。月球正面有很大的平原,着陆相对简单,嫦娥三号可以以一定的倾角滑落下去。但是月球背面的地形更加复杂,有很多高山和月坑,起伏很大。为了避免在降落过程中撞到山体,嫦娥四号基本上是垂直降落的。事实上,由于山多坑多,我们花了很长时间才找到适合嫦娥四号着陆的地点,它的预选着陆区域很小,只有嫦娥三号的八分之一。

 

欧阳自远:嫦娥四号的主要科学目标有3个,都是只有到月球背面才能做的。

 

第一是收集来自太阳,太阳系,银河系以及宇宙的长波信号。在地球和月球正面,由地球电离层干扰产生的高额噪声使我们无法接收波长在一米以上的长波信号。但是由于月球本身的遮挡,月球背面可以不受来自地球电离层的干扰,容易接收到波长10米,100米甚至10公里的低频长波信号,收集到这些长波信号,我们就可以从一个新的波段来了解太阳和宇宙中的其他天体。在嫦娥四号着陆器上,我们搭载了一台低频射电频谱仪,用来收集这部分信号

 

第二是探索月球早期的地质历史。月球现在已经没有内部岩浆活动,是一颗“僵”死的星球。但是在30到45亿年前,它也曾经是非常活跃的,有大量的岩浆喷发,火山活动和构造运动,形成新的岩石。在月球正面,人类已经探测了很多30到40个亿年前的岩石样品,了解了这段时期的月球历史,但是在40个亿年以前形成的岩石埋藏在更深的地方,或者被后期的火山熔岩流所覆盖,因而难以探测。在大约40个亿年前,有一颗巨大的小天体撞击在了月球背面,它的冲击波在月球背面撞出了一个直径2480公里的巨大的盆地,也就是这次嫦娥四号着陆的南极-艾特肯盆地。这次撞击剥开了艾特肯盆地内部的岩石,许多亿比40年更古老的岩石都暴露了出来,所以我们去艾特肯盆地,就能够探测到更古老的岩石,了解更早的月球地质演化历史。我们在玉兔二号月球车上安装了测月雷达和红外成像光谱仪,来探测月球背面艾特肯盆地内部的地下浅层结构,以及剥露出来的古老的早于41个亿年前的岩石矿物成分,甚至发现月球深部月幔的岩石。

 

第三,我们还希望探测月球背面的空间环境,看它和月球正面是否有差异。我们推测背面和正面的差异不会很大,但还是需要实地测量才能确认。用于这方面探测的仪器包括搭载于嫦娥四号着陆器,与德国合作研制的月表中子与辐射剂量探测仪,以及搭载于玉兔二号月球车,和瑞典合作研制的中性原子探测仪等。

 

 

李春来:嫦娥四号的第一批数据已经返回,我们已经开始分析数据并准备发表学术论文。口碑杏3沐鸣主管

 

李春来:根据国际惯例,取得数据半年后,数据会向中国科学家开放,所有相关领域的中国科学家都可以申请获得数据。而在一年之后,数据将对国际科学界开放。此外,对于国际载荷,我们会在第一时间与合作方共享数据。

 

吴伟仁:短期内没有相关计划。所以这次嫦娥四号的任务很重,它是人类第一次登陆月球背面,也将是短期内唯一的一次,因此,采集探测到的数据也就更加珍贵。但从长远看,还是有可能继续下去的。

 

吴伟仁:空间科学技术发展至今,从经济成本,风险等方面考虑,无人探测是重点。我们计划在不久的将来发射嫦娥五号探测器,登陆月球正面并采样返回。后续,我们还计划在月球南极建立月球科研站。之所以选择南极,主要有两个考虑。一是和地球类似,在一年的中,月球的南极可以有一半,甚至90%的时间有连续光照,更加适合探测仪器的连续长期工作。二是已有的探测显示,在月球两极终年不见阳光的月坑中,可能存在水冰,这是我们希望进一步探测和确认的。

 

我们也将进一步开展深空探测,将会在不久的将来发射第一个火星探测器。科学家们也正在论证木星探测,小行星探测。此外,我们还希望探索日球层的边界,也就是太阳风能够到达的边界。那里距离太阳系中心大约100个天文单位[1天文单位= 149 597 870 700米≈日地距离),人类飞行器大概要20到30年的时间才能飞到那里。我们希望有这样的机会。

 

吴伟仁:月球和深空探测工程是国家意志,也是人类寻找地外生存空间的必由之路,所以政府一定会持续支持。如果我们将嫦娥工程的总投入平均到工程实施的这十几年中,年均投入额只占我国的GDP年万分之零点三。和美国阿波罗计划等项目相比,这样的费用水平并不高。李春来:在不考虑载人的情况下,探月工程主要包含五个系统:探测器系统,运载火箭系统,发射场系统,测控系统和地面应用系统。

 

我所负责的地面应用系统可以理解为整个工程中的科学部分,所以我们又把这个系统叫做肝、地面研究和应用系统,地面科学研究与应用系统。具体来讲,在工程总体设计阶段,我们负责确认科学目标,再根据轨道器,着陆器,月球车,返回器的仪器特点和它们所处的空间环境,来决定在哪里安装哪些科学仪器,或者说有效载荷,来实现我们的科学目标。在探测器上天之后,我们需要根据实际情况,对仪器下达指令,控制它们的具体工作状态以获取科学数据。我们还负责数据的接收,数据处理和科学目标的研究,并负责数据的授权发布。也就是说,地面应用系统负责从科学目标确立到科学成果分析研究的整个科学链条。

 

李春来:美国有明确的法律条款,规定中美之间不能在航天领域开展合作。但是我们可以和欧洲或其他地区的国家开展合作。现在,我们的嫦娥六号任务和小行星探测任务都已经公开向国际科学界征集载荷。我们会提出一个载荷列表,如果对方对其中的载荷和科学项目感兴趣,就可以申请研制某个载荷。如果他们还有新的想法,也可以提出申请,我们经过论证和讨论,如果认为合理也会考虑增加新的载荷。在我们未来所有的探测计划中,都会积极进行国际合作。

 

NSR: SpaceX发展迅猛,中国也有众多新成立的民营航天公司,这些公司的未来发展趋势如何?它们是否会参与我国的月球和深空探测工程?

 

吴伟仁:我们欢迎民营公司参与月球和深空探测,为工程做必要的补充。

 

 

目前,中国有若干家民营火箭公司,卫星公司更多。和SpaceX等国外民营航天公司一样,这些公司的创建者和技术人员,很多都是在国家航天系统中工作过的人。目前的形势有些一哄而上的混乱,我认为经过一定时间的调整和竞争,会有一部分公司从中脱颖而出,获得更好的发展。目前,国家已经开始制定相关规范,来引导这些民营航天公司的规范运作和有序竞争。我相信它们未来会发展得很好。