五問嫦娥三號無人登月

　　孫家棟院士

　　歐陽自遠(yuǎn)院士

　　葉培建院士

　　嫦娥三號探測器在月球表面的模擬圖。　新華社發(fā)

核心閱讀

12月伊始，嫦娥三號在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空后，將前往38萬公里之遙的月球，目標(biāo)是落月，也就是無人登月。

嫦娥三號任務(wù)是我國探月工程“繞、落、回”三步走中的第二步，將實現(xiàn)我國航天器首次在地外天體軟著陸，開展著陸器懸停、避障、降落及月面巡視勘察。如“落月”順利，我國航天相關(guān)技術(shù)將實現(xiàn)巨大跨越，將為我國深空探測的發(fā)展奠定重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

發(fā)射前夕，開拓并親歷我國探月征程的孫家棟、歐陽自遠(yuǎn)和葉培建三位院士，接受了本報記者專訪，講述他們眼中的嫦娥三號和中國探月歷程。

１

為什么在虹灣著陸？

——著陸區(qū)比較平坦，通訊和光照條件好

記者:嫦娥三號的月球軟著陸區(qū)目前選定在月球虹灣地區(qū)，為什么虹灣是唯一的選擇？

歐陽自遠(yuǎn)（首任探月工程月球應(yīng)用科學(xué)首席科學(xué)家、中科院院士）：嫦娥三號計劃將在月球虹灣著陸。虹灣位于月球正面的西北角，屬于月海區(qū)域。月球正面，其實就是月球朝向地球的這一面。由于月球自轉(zhuǎn)一周和繞地球一周都是約28天，所以地球上的人們永遠(yuǎn)只能看到月亮的一半，看不到另一半。又因為月球向著太陽的時間是半個月左右，背著太陽的時間也是約半個月，月亮的完整一天是地球概念的一個月。

從地球上看月球的那一半，會看到有幾塊黑斑，古代的時候，人們以為是海，就把它們命名為月海。其實我們現(xiàn)在知道那里一滴水也沒有，是遼闊的平原。為什么是黑的呢？是因為月球上有些地方被撞出大盆地，盆地下面有很多巖縫。火山噴發(fā)，又把一些坑填平了。黑斑其實大多是石頭，比如黑色的玄武巖。虹灣是大約39億年前砸出來的一個坑，由于形似彩虹的弧形，就把這個月海區(qū)域的“海灣”命名為虹灣，大約有400公里長。

嫦娥三號在月球著陸，著陸區(qū)必須要能跟地球聯(lián)系上，所以一定要降落在正面。而正面的具體位置，第一得通訊好，第二得陽光好，第三是那兒可以研究的問題多，第四是比較平坦，第五是最好別的國家還沒有勘察過。相對而言，之前美國等國家月球探測多在月球赤道附近，高緯度地區(qū)不多。根據(jù)我們的測控能力，綜合這幾點，最終將著陸地點定在虹灣地區(qū)。

記者：虹灣的科學(xué)意義在哪里？

歐陽自遠(yuǎn)：虹灣這一帶是月球研究的空白，沒有勘察過。我們希望得到這一帶石頭的詳細(xì)成分，研究它的成因，把這個地方研究得更精細(xì)一點。

由于虹灣是預(yù)設(shè)的著陸點，所以我們繪制了一張分辨率為1米的虹灣局部影像圖，目的是要在虹灣地區(qū)選擇一些更平坦的地方，有利于探測器順利降落。此外，為了讓嫦娥三號降落時不至于掉到大的月坑，嫦娥二號已用立體相機(jī)對虹灣進(jìn)行了局域超高分辨率立體成像，直徑大于３米的月坑清晰可辨。

２

月球著陸有多難？

——安全著陸和度過月夜將是兩大考驗

記者：嫦娥三號要在月球著陸，難度到底有多大？

孫家棟（首任探月工程總設(shè)計師、中科院院士）：如果說嫦娥一號是里程碑，那么嫦娥三號就是跨越式。嫦娥三號采用的新技術(shù)超過80％，要實現(xiàn)的任務(wù)又非常難。中國人第一次把自己的航天器落在地球以外的天體，并且要落得準(zhǔn)、落得好，難度非常大。

和地球不一樣，月球沒有空氣，不能靠大氣層摩擦和降落傘的幫忙，降落要有新的思路。落到月球表面的時候，月球“土壤”非常松軟，著陸器能不能“站住”，以及落下后月面巡視器也就是月球車能不能平穩(wěn)地放出去，都要考慮周到。

還有個巨大的難點，是怎樣讓著陸器和月球車在月夜熬過極端低溫。月球白天溫度可高達(dá)150攝氏度，晚上能低至零下180攝氏度。月球一個晚上的時間長度，相當(dāng)于地球的14天，所以著陸器和月球車能不能在月球過夜，是個巨大考驗。還得保證月球白天到來后，太陽一照，這兩臺機(jī)器就能“醒來”。所以說，嫦娥三號基本上是個新的東西，搞工程最難的是，新的東西放在一起配合。我預(yù)祝嫦娥三號“落月”成功。

葉培建（嫦娥一號衛(wèi)星總設(shè)計師、中科院院士）：嫦娥二號最低到過距月球15公里高度，嫦娥三號從距離月面15公里落下去開始軌道怎么走，這是第一次。為了平穩(wěn)落下，并落到安全的地方，一方面，探測器上安裝了許多設(shè)備，測量速度、距離，觀察并判斷降落位置平不平，這就涉及導(dǎo)航和空中懸停技術(shù)。最后幾米要在月面自由落體，實現(xiàn)緩沖，吸收沖擊力，這些都是第一次。而為了保證著陸器和月球車在月球過夜，我們第一次引入了核同位素電池來發(fā)熱維持“生存”的最低溫度。

主要的技術(shù)風(fēng)險有這三個：著陸地點如何保證落到需要落的地方；如何確保新研制設(shè)備的可靠性；如何確保新軟件的使用狀態(tài)。這些，我們在地面上都經(jīng)過了一個個試驗。航天經(jīng)驗告訴我們，想到的都不會發(fā)生，發(fā)生的都沒想到。沒有成功之前，我們依然忐忑不安。嫦娥三號成功的話，意味著我們是第三個能夠在月球著陸的國家，也是這幾十年來的第一次。

歐陽自遠(yuǎn)：針對這些難題，科研人員采用變推力發(fā)動機(jī)、自主導(dǎo)航控制技術(shù)和研發(fā)緩沖吸能部件來攻克軟著陸這一難關(guān)，并用“原子能電池”保證在寒冷的月夜下著陸器和月球車不被凍壞。而且“原子能電池”不會造成污染，決定使用這種電池時就已經(jīng)預(yù)期到這些問題，電池都是密閉起來的，材料的半衰期也不是特別長。

３

要在月球上做什么？

——著陸器和月球車將開展探測：觀天、看地、測月

記者：月球車會在月球上做什么？

歐陽自遠(yuǎn)：嫦娥三號月面巡視器，也就是俗稱的月球車，剛剛在全球征名中被命名為“玉兔”號。如果“落月”成功，并成功駛離著陸器，“玉兔”號月球車將在月面工作三個月。它擔(dān)負(fù)承載科學(xué)載荷進(jìn)行月表形貌與地質(zhì)構(gòu)造、月表物質(zhì)成分和可利用資源調(diào)查等使命。月球車走得不會特別快，比人們想象的走得慢，時速約200米。它的高性能體現(xiàn)在越障能力和通過性，而不是追求高速度，6個輪子中有4個可以驅(qū)動，而且它始終不會離開著陸器的“視野”。

著陸器和月球車，會同時開展各自探測，可以形容為“觀天、看地、測月”，這是嫦娥三號在科學(xué)上最重要的內(nèi)容。

觀天，是指著陸器上安裝了一臺天文月基望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行月基光學(xué)天文觀測。這也是人類首次把“天文臺”搬到了月球上。地球上的天文學(xué)家最想做的一件事情，就是在沒有大氣、晴朗的月亮上觀測天空、看星星，研究星系、恒星的活動。

觀地是指安裝在著陸器上的極紫外相機(jī)，將對地球等離子體層進(jìn)行極紫外成像探測。測月是指安裝在月球車上的測月雷達(dá)，探測巡視路線上月壤厚度和結(jié)構(gòu)，以及月殼巖石結(jié)構(gòu)。月球車在月面行走，測月雷達(dá)可以測月球地底下30米深土壤層的結(jié)構(gòu)和100米深的次表層結(jié)構(gòu)，這個是國際上之前沒有做過的。

４

深空首步為何選月球？

——通過到月球掌握深空探測等基礎(chǔ)技術(shù)

記者：月球是我國深空探測的第一步，是因為工程技術(shù)上容易實現(xiàn)嗎？

孫家棟：2004年嫦娥工程立項，2007年第一顆探月衛(wèi)星嫦娥一號發(fā)射，2010年嫦娥二號衛(wèi)星又成功探月，做到了經(jīng)費少、周期短、質(zhì)量好。我們制定了國家發(fā)展深空探測比較符合實際的方案，方案的思想是一步一步離開地球。離地球最近的空間支點是月球，我們有了探測月球的經(jīng)驗以后，才好逐步地離開地球。月球離地球40萬公里左右，比較便于測試通訊等各種深空探測技術(shù)。同時，衛(wèi)星上天圍繞地球轉(zhuǎn)，當(dāng)你離開地球往深空發(fā)展，地球、衛(wèi)星、月球，三者的運動關(guān)系就會發(fā)生很大的變化。這些，都可以通過到月球來掌握基礎(chǔ)技術(shù)再發(fā)展。

實際上，上世紀(jì)90年代，我們的航天技術(shù)專家就開始探討探月，同時科學(xué)家也在考慮第一步到月球做什么。科學(xué)探測的要求不能太高也不能太低，要結(jié)合航天工程水平，還要能夠向前“跨一步”，在當(dāng)時經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)條件下，月球探測是比較切合實際的深空探測計劃。

我國的繞月探測工程也就是嫦娥工程共分為三期。一期工程為“繞”，已經(jīng)由嫦娥一號實現(xiàn)。二期工程為“落”。嫦娥二號是先導(dǎo)星，嫦娥三號是關(guān)鍵任務(wù)，后面還有嫦娥四號，就是要實現(xiàn)月球軟著陸。三期工程為“回”。要完成上升艙、返回艙、著陸探測器的研制，驗證月面起飛、返回和再入等關(guān)鍵技術(shù)。

歐陽自遠(yuǎn)：繞月探測的第一步科學(xué)目標(biāo)就是整體、全面、綜合地了解月球。根據(jù)這個目標(biāo)我們當(dāng)時提出了嫦娥一號的4個科學(xué)目標(biāo)：探測月面地形地貌，探測月球表面的元素和礦物成分，探測月壤特性，以及探測地月空間環(huán)境。嫦娥一號完全實現(xiàn)了既定目標(biāo)。嫦娥二號原本是嫦娥一號的備份星，但嫦娥一號各項任務(wù)都完成得很好，就不需要備份星了，最后嫦娥二號做了嫦娥三號的先導(dǎo)星，也就是去打先鋒，將嫦娥三號的技術(shù)難題和大部分落月路線去試驗一遍，看看能不能做到。

嫦娥一號的最終歸宿是撞到月球上。嫦娥二號完成任務(wù)后，由于燃料剩余、狀態(tài)良好，又給它派了一個新任務(wù)，飛到離地球150萬公里以外的拉格朗日L2點去探測太陽。飛離拉格朗日L2點后，又飛越并探測了圖塔蒂斯小行星，開創(chuàng)了我國探測小行星的先河。

記者：嫦娥一號當(dāng)時第一次奔向月球，風(fēng)險是不是也很高？

孫家棟：第一次去月球，風(fēng)險的確很大。奔向月球并繞月探測，要求軌道設(shè)計和計算合理，否則要么和月球擦肩而過，要么就是和月球撞一起。嫦娥一號衛(wèi)星去月球，好比騎馬打兔子，馬跑兔子也跑，騎馬的你還得打槍，難度不可謂不大。當(dāng)時爭論得很厲害，用大火箭還是小火箭？選的衛(wèi)星平臺是不是太大了，會不會造成大馬拉小車……最后結(jié)果來看，嫦娥一號選了非常合理的技術(shù)路線，并實現(xiàn)了4項科學(xué)目標(biāo)。

葉培建：地球軌道和月球軌道不一樣。航天器繞著地球轉(zhuǎn)，大部分在近地軌道，最遠(yuǎn)也就七八萬公里。月球距離地球平均38萬公里，我們當(dāng)時最初具有的最大天線才12米，理論上測不了多遠(yuǎn)，因此我們就要把衛(wèi)星上自帶天線的能力做到極致。前兩次探月，最緊張的時刻是近月時段，嫦娥衛(wèi)星要近月制動。這時候早了不行，晚了也不行，只有唯一的時刻。如果這個時刻沒有被月球捕獲成為月球的“衛(wèi)星”，就要過很多天再回來，那時候衛(wèi)星狀態(tài)什么樣心里沒底。

航天事業(yè)高風(fēng)險，那么龐大的隊伍搞科研，總會有些問題不知道，或者沒有人告訴你。所以對任何可疑的事情都不能放過。歐陽自遠(yuǎn)院士說過一句話，科學(xué)家做研究，100次失敗99次，只要有一次成功就是成功，而航天人搞航天，100次成功99次，只要有一次失敗就是失敗。

５

人類為什么要探月？

——月球有豐富能源資源，探月能帶動大量的技術(shù)突破和進(jìn)步

記者：在科學(xué)意義上，人類為什么去月球？

歐陽自遠(yuǎn)：在技術(shù)發(fā)展層面，人類探月活動特別是美國阿波羅計劃產(chǎn)生了強(qiáng)大的推動力，帶動了上世紀(jì)六七十年代世界高新技術(shù)的發(fā)展，其影響一直延續(xù)到今天，在計算機(jī)、通訊、醫(yī)療衛(wèi)生等各個領(lǐng)域都發(fā)揮了巨大作用。現(xiàn)在又掀起人類重返月球的高潮，仍然是因為月球有幾個問題非常重要，值得去探索。

月球有豐富的能源，這個是全球共識。比如太陽能，月球上的白天接近半個月，月球表面是真空，沒有任何遮擋，可以無限制地鋪設(shè)各種太陽能電池板，如果月球上的太陽能轉(zhuǎn)變成電能以后輸送到地球，將是巨大的能源。另外一種能源是氦3，石油、煤、天然氣等終究要耗光，月球上氦3的資源量據(jù)初步估算超過100多萬噸，如果利用，至少可以解決全人類能源的需求一萬年以上。月球的礦產(chǎn)資源也極其豐富。另外，月球上的環(huán)境雖然極其惡劣，但是這些極端環(huán)境正適合生物制品和新材料的生產(chǎn)。

探測月球上的水，也是很時髦的一件事情。雖然月球白天太陽一出來100多攝氏度，根本不可能有水，但有一些地方永遠(yuǎn)照不著太陽，這些永久陰影區(qū)里可能含有水，國際上探月活動通過撞月最后確證月球上存在水、冰。

我覺得，中國應(yīng)該離開地球去探測別的天體，這是科技發(fā)展的需要，也能夠帶動大量的技術(shù)突破和進(jìn)步，能培養(yǎng)出一支高素質(zhì)的航天人才隊伍。嫦娥工程是中國人脫離地球引力離開地球搖籃的第一步，月球是前往深空的第一個門檻。

孫家棟：航天讓人感動的地方在于，航天是一片沃土，只要一顆種子進(jìn)入，會很好的茁壯成長。這背后是集體的力量。

航天夢是中國夢的一部分。航天夢是什么？我認(rèn)為就是集成尖端技術(shù)，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科學(xué)技術(shù)發(fā)展。我現(xiàn)在關(guān)心的是，天上取得的成果怎么“落地”，也就是怎么和國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)更好的結(jié)合起來，發(fā)揮更大的效益。目前我們的航天成果非常多了，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前發(fā)射了16顆衛(wèi)星，已開始服務(wù)亞太地區(qū)，到2020年一共要發(fā)射30余顆北斗衛(wèi)星。這么大的投資，除了安全需要，還應(yīng)該更好地服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展。

航天事業(yè)的重要意義在于，讓人類不僅看到今天，還要看到明天。將來的問題，我們不能到了將來才去解決。（余建斌 吳月輝）