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及時部分 綜合性成果

月球探測發(fā)展歷程及啟示?

鄧連印 崔乃剛

(哈爾濱工業(yè)大學 航天學院，哈爾濱150001)

摘 要 從1959年到1976年，前蘇聯(lián)和美國發(fā)射了多種系列的月球探測器，他們采用了最早的深空探測技術(shù)和探測方式，并獲得了寶貴的成果和豐富的經(jīng)驗，掀起了世界及時次探月高潮；1976—1994年國際上將深空探測的重點轉(zhuǎn)向了火星和對空間站的研制，沒有進行過任何成功的月球探測活動，出現(xiàn)了其后的相對月球探測寧靜期；20世紀末，美國的"克萊門汀"號和"月球勘探者"號成功獲取了月球的新發(fā)現(xiàn)，世界航天大國相繼宣布了以月球為中心的深空探測計劃，并紛紛發(fā)射月球探測器，將月球探測又推向了一個新的高潮。根據(jù)目前"嫦娥一號"的新技術(shù)和他國的月球探測情況，對我國未來月球探測進行展望，以在今后國際月球探測活動中占據(jù)主要位置。

關(guān)鍵詞 探月活動 探月計劃 展望 啟示

1 引言

人類渴望探索未知世界，開拓奇妙的宇宙。月球作為地球的一顆天然衛(wèi)星，從古到今一直牽動著人類的夢想。1986年美國康斯維辛大學的研究人員從月球的巖石和沙粒中提取氧氣的時候，發(fā)現(xiàn)了月球巖石中含有豐富的3He核動力資源，因此可以設(shè)法將月球上的3He運回地球或者直接在月球上建立可控核聚變的核電站。同時在月球上建立太陽能電站也是空間利用太陽能的有益嘗試，是解決全球未來能源問題的有競爭力的方案。月球還有可能成為人類開展深空探測研究，尋找"地外文明"，開展對宇宙星球(如火星)的探測、開發(fā)等研究工作的中轉(zhuǎn)站或基地。近幾年來，許多國家的政府機構(gòu)、公司和科學家都在競相策劃或?qū)嵤蕚湎蛟虑蛞泼竦脑囼?，并提出了建設(shè)月球基地的方案和月球城市的構(gòu)想[1~2]。

此外，由于月球上土壤成分與地球上的相似，以及月球周圍所具有的無大氣包圍、無電離層、無輻射、弱重力、弱磁場的空間環(huán)境，為某些特殊工業(yè)生產(chǎn)提供了有利的條件，如微重力材料加工、蛋白質(zhì)體生長、薄膜半導(dǎo)體材料、編晶合金、砷化鎵等光電晶體生長、共晶生長等的試驗、生產(chǎn)加工以及醫(yī)學和藥品的試驗加工等[3]，許多科學家認為在今后的幾個世紀里月球?qū)⒊蔀樘栂档墓I(yè)中心。同時，月球也是天體物理研究的良好場所，開展月-地空間環(huán)境的測量、對地和宇宙觀測，可為將來的深空探測任務(wù)創(chuàng)造更好的條件。從現(xiàn)實和長遠來看，月球?qū)θ祟惿姘l(fā)展有著特殊的意義和價值，對月球的探測和開發(fā)，是世界強國實現(xiàn)其科學、經(jīng)濟、政治、軍事方面經(jīng)驗豐富地位的有力途徑[4~5]。

2 各國月球探測活動及計劃

自1959年開始月球探測至今，人類共進行了123次月球探測活動。其中，美國56次(包括10次載人月球探測)、前蘇聯(lián)64次、中國1次、日本2次，歐空局1次[6]。20世紀六七十年射的月球探測器有108個，主要集中在美國和前蘇聯(lián)兩個超級大國，形成了美蘇爭霸時期的探月高潮。70年代末到90年代初，美國停止了阿波羅登月計劃，將宇宙探測的重點轉(zhuǎn)向了火星等其他星體，而前蘇聯(lián)將重點轉(zhuǎn)向了空間站，世界各國均未對月球進行新的探測，人類月球探測進入一個寧靜期。1994年，美國發(fā)射了"克萊門汀"(Clementine)月球探測器，隨后俄羅斯、歐洲、日本等也紛紛提出了各自的發(fā)展計劃，形成了月球探測的第二次高潮。

2。1 美蘇爭霸時期(1959—1976)：及時次探月高潮

19世紀50年代末開始，在冷戰(zhàn)的背景下，美國和前蘇聯(lián)展開了激烈的空間競賽，而月球探測是初期深空探測的重點。他們通過發(fā)射月球探測器完成了對月球表面的探測，并帶回了大量的照片和樣本。前蘇聯(lián)在這17年的時間里共發(fā)射了47顆無人月球探測器，主要有"月球"(Luna)系列、"宇宙"(Cosmos)系列及"探測器"(Zond)系列。美國也制訂了龐大的探月計劃，發(fā)射了23顆無人月球探測器，主要包括："先驅(qū)者"(Pioneer)系列、"徘徊者"(Ranger)系列、"月球軌道器"(Lunar orbiter)系列、"勘測者"(Surveyor)系列、"阿波羅"(Apollo)系列探測器等[7]。

1) 主要成功的探月活動及其成果

在初始階段，月球探測主要采用擊中月球(硬著陸)、飛越月球和繞飛月球拍攝月球表面照片的探測方式。1959年，前蘇聯(lián)發(fā)射的月球1號首次成功脫離了地球的引力，從距月面7500m的高處飛過，成為人類歷史上及時顆近月飛行的人造衛(wèi)星。月球2號首次采取了月面硬著陸，實現(xiàn)了從地球到另一個天體的飛行。月球3號拍攝了月球背面70%的照片，它是人類首次獲得的月面照片。美國在1964—1965年發(fā)射的"徘徊者7—9號"都采用了硬著陸方式，發(fā)回了高分辨率的月面照片[8~9]。

隨著空間技術(shù)的發(fā)展和對月球了解的深入，不同的月球探測方式不斷出現(xiàn)，對飛行任務(wù)也提出了更高的要求，前蘇聯(lián)和美國主要采用的探月方式有四種：

環(huán)月飛行 當探測器到達月球附近(如近月點)時，用制動發(fā)動機減速，使之成為沿月心橢圓(或圓)軌道運動的月球衛(wèi)星。月球衛(wèi)星可長期對月面和近月空間進行探測，繪制全月面地形圖、地貌圖和地質(zhì)圖，并可選擇登月的著陸位置。此類探測器主要有前蘇聯(lián)的1966年發(fā)射的"月球10號"、"月球11號"和"月球12號"，還有此后的"月球14號"、"月球19號"和"月球22號"都拍回了大量近距離月面照片。美國的"月球軌道器1—月球軌道器5"同時也進行了環(huán)月飛行，發(fā)回了大量的電視照片，并為阿波羅飛船選擇登月地點。"阿波羅15"和"阿波羅16"釋放的P與FJ衛(wèi)星也分別進行了環(huán)月飛行。

月面軟著陸(包括攜帶月球車進行月面巡游) 探測器在落向月面的過程中用制動發(fā)動機減速，使到達月面時的速度接近零。探測器可近距離拍攝月球照片和測定月面土壤的各種物理特性，分析其化學成分，并進行月面輻射和磁場等研究。若攜帶月球車，則還可以探測月面上不同地點。1966年前蘇聯(lián)的"月球9號"和"月球13號"采取了月面軟著陸的方式，9號是人類歷史上首次在月球上成功軟著陸的航天器，并發(fā)回了月球的全景影像；13號進行了月壤力學測定，并發(fā)回電視全景照片。隨著技術(shù)的進步，1970年"月球17號"在月面軟著陸后，攜帶的世界上及時輛自動月球車" 月球車1號"在月球上行程共10540m，考察了8000m2月面地區(qū)，拍攝了200幅月球全景照片和2萬多張月面照片，直到1971年10月核能耗盡才停止工作。1973年的"月球21號"(攜帶"月球車2號")還測量了月球的磁場、輻射、土壤，并進行了激光定位和攝影。美國的"勘測者"(Surveyor)系列也是成功實現(xiàn)月面軟著陸方式的典型代表，如1966年發(fā)射的"勘測者1號"、1967年的"勘測者3號"、"勘測者5號"和"勘測者6號"，1968年的"勘測者7號"都是月面軟著陸的探測器，實現(xiàn)軟著陸后，它們成功地發(fā)回大量的電視照片和化學分析數(shù)據(jù)[10～11]。

自動取樣并返回 探測器先飛向月球并在月面軟著陸，待完成月面任務(wù)后，再從月面垂直起飛，返回地球。這種飛行方式除了可以完成月面軟著陸科學探測任務(wù)外，更重要的是可以將月球土壤和巖石樣本帶回地球，以便進行更為詳細的研究。前蘇聯(lián)于1970年發(fā)射的"月球16號"探測器，在月球豐富海地區(qū)軟著陸后，其自動挖掘機在月面上鉆了個0。35m深的孔，取出100g土壤品并成功地送回了地球，開創(chuàng)了深空探測史上無人探測器自動挖取外星球巖石樣品，并自動送回地球的先河。而后的"月球20號"和"月球24號"也采用了自動月球車，對月壤深處進行取樣，并成功地返回地球[12～13]。

載人登月 一般先使探測器成為月球衛(wèi)星，然后登月艙在月面軟著陸；返回時登月艙先上升至月球衛(wèi)星軌道，與留軌艙對接，再回到地球。這種探測方式除了可以完成其他3種飛行方式所能完成的所有科學探測任務(wù)外，還能完成許多無人探測器所不能完成的科學研究和實驗。載人登月本身就是人類航天活動的巨大成就，同時它還可以為人類在月球上建立基地和進入更遙遠的太空積累資料。1969年美國的"阿波羅11"，首次實現(xiàn)了人類登上月球的偉大壯舉，它在月面停留21h 36min，宇航員工作2h 10min，采集標本28kg，把人類的腳印留在月球。隨后，美國在1970—1972年相繼發(fā)射了"阿波羅12"至"阿波羅17"探測器，都采取了載人登月的方式，并且?guī)Щ亓舜罅康脑虑驑悠贰?阿波羅13"因中途發(fā)生故障，繞月后返回，未能實現(xiàn)登月[14~15]。

通過這個階段的月球探測，人類獲得了極其豐富的研究數(shù)據(jù)。使人類對月球的形狀、大小、近地空間環(huán)境、月球軌道參數(shù)、月球表面的構(gòu)造與特征、月球的巖石類型與化學組成、月球的資源與能源、月球內(nèi)部構(gòu)造與演化歷史等方面的研究，取得了一系列突破性的進展，在月球的起源和地月系統(tǒng)的相互作用與影響方面獲得了新的認識。

2) 探測失敗的經(jīng)驗教訓(xùn)

月球探測工程極其復(fù)雜，需由運載火箭、空間探測器和測控網(wǎng)等系統(tǒng)協(xié)調(diào)完成，而這些系統(tǒng)是由成千上萬個零部件組成的。對于如此龐大的系統(tǒng)，任何一個零部件出現(xiàn)故障，都有可能導(dǎo)致整個探測任務(wù)的失敗。自1958年開始前蘇聯(lián)執(zhí)行第1次月球探測任務(wù)以來，失敗率高達48。7%，美國的失敗率也高達34%。

首先，運載火箭容易發(fā)生故障，1958—1959年，美國共發(fā)射5枚先驅(qū)者系列探測器，前4次因火箭推力不足均失敗，只有"先驅(qū)者4號"勉強成功，但也只是遠距離飛越月球。美國還發(fā)射了多枚"艾布爾"系列探測器，但因運載故障而全部失敗。1962年美國用宇宙神-阿金納–B火箭發(fā)射了徘徊者–3月球軌道器，試圖撞擊月球。由于火箭制導(dǎo)系統(tǒng)失靈，最終失敗。前蘇聯(lián)在1965—1969年發(fā)射的"宇宙"系列探測器，發(fā)生故障的部位多集中在運載火箭的上面級。

探測器故障造成的失敗也占有重要比例。1962年，宇宙神-阿金納-B火箭發(fā)射了徘徊者–4號月球軌道器，試圖首次實現(xiàn)月球撞擊，但由于探測器上的計算機計時器和程序發(fā)生錯誤，太陽電池翼一直未能打開，飛行10h后，儀器設(shè)備停止工作。1966年，"大力神-半人馬座"(Titan-Centaur)火箭發(fā)射了勘測者-2月球軌道器，做月球軟著陸嘗試，但由于探測器的3臺微調(diào)發(fā)動機中的1臺發(fā)動機點火故障造成中段修正失敗，使探測器失去了控制，墜毀于月球。

此外，還有測控網(wǎng)故障等造成的失敗，1959年1月2日，東方號火箭發(fā)射了月球–1探測器，任務(wù)是撞擊月球。由于無線電控制地面站的一些失誤，未能實現(xiàn)撞擊月球，火箭第3級和探測器在距離月球5995km時信號丟失，變成了世界上及時個人造太陽衛(wèi)星[16~17]。

還有，由于當時特殊的國際政治環(huán)境和技術(shù)管理能力方面的缺陷，也導(dǎo)致一些月球探測任務(wù)的失敗。20世紀五六十年代，前蘇聯(lián)和美國在航天領(lǐng)域展開了激烈競爭，在月球探測活動中互相追逐，都希望搶在對方的前面進行月球探測器或飛船的發(fā)射，許多研制和發(fā)射試驗都是倉促進行的，準備極不充分，甚至出現(xiàn)了某些火箭系列發(fā)射全部失敗的慘痛局面，如"雷神-艾布爾"、"宇宙神-艾布爾"、N–1和宇宙號火箭。為了同美國"阿波羅"登月計劃競爭，前蘇聯(lián)設(shè)計了一種體積過大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，未經(jīng)過充分地面試驗的龐然大物——N–1運載火箭。N–1火箭結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，發(fā)動機點火和級分離次數(shù)過多，火箭氣動穩(wěn)定性和控制相當困難，加之未進行充分的地面試驗，最終導(dǎo)致N–1火箭4次發(fā)射全部失敗。

前蘇聯(lián)在早期探月活動中，由于缺少頂層設(shè)計所導(dǎo)致的設(shè)計局間的競爭也阻礙了其探月計劃的進展。前蘇聯(lián)領(lǐng)導(dǎo)層缺乏對探月計劃及其風險的認識，不同的設(shè)計局負責不同的探月計劃，每個設(shè)計局又缺少頂層設(shè)計，各設(shè)計局之間惡性競爭也嚴重阻礙探月計劃的進展。正是這種不同設(shè)計局之間的利益關(guān)系，導(dǎo)致了他們?yōu)榱苏卫婕百Y金支持而展開競爭，也正是這種惡性競爭造成了大量的人力與財力資源的重復(fù)浪 費[18]。

2。2 月球探測相對寧靜時期(1977—1993年)

自1976年以來，直到1994年國際上沒有進行過任何成功的月球探測活動，出現(xiàn)了人類月球探測高潮后的相對寧靜期。原因主要有三個方面：一是前蘇聯(lián)和美國兩個超級大國為爭奪空間霸權(quán)而掀起的競爭，是冷戰(zhàn)的產(chǎn)物，隨著冷戰(zhàn)形勢的緩和，加之前蘇聯(lián)的解體，空間霸權(quán)的爭奪有所緩解；二是經(jīng)過及時次月球探測高潮，獲得了豐富寶貴的數(shù)據(jù)與資料

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