月球探测的历程-米儿火

来源：节选自欧阳自远《月球探测的进展与前景》（摘要）

自古以来, 人们就对月球寄予了真情期望的遐想和充满诗意的赞美。当一轮皎洁如玉的明月挂在夜空, 人们只能靠肉眼观测月球并寄托自己的想象。直到16世纪望远镜发明发后, 人类才能够用望远镜观察月球, 但观测的空间分辨率大于10公里, 人们发现月球上有高山和广阔的平原并布满了环形山。

真正对月球的了解是在上世纪五十年代以后, 月球探测进入空间探测阶段。月球是离地球最近的天体, 亮度也仅次于太阳, 历来是人类天文活动的首选目标, 自然也是人类走出地球摇篮, 迈向浩瀚宇宙的第一步。1959年至1972年, 美国和前苏联成功地发射了45个对月球的各种探测器。前苏联的“月球号”拍摄了月球背面的照片, 把月球的整个面貌展现在人们面前。1969年, 阿波罗11号实现了人类的梦想, 人类的足迹第一次踏上了月球, 人们才了解到月球的真实面貌。

1.1 第一次探月高潮 (1959年~1976年)

1.1.1第一次探月高潮概况

在冷战背景下, 美国和前苏联展开了以月球探测为中心的空间竞赛, 掀起了第一次月球探测高潮。自1958年至1976年, 美国和前苏联共发射83个月球探测器, 成功45个, 成功率为55.5%。1969年7月美国阿波罗11号飞船实现了人类首次登月, 相继阿波罗—12、14、15、16、17和前苏联的月球号—16、20和24进行了载人和不载人登月取样, 共获得了382公斤的月球样品和难以计数的科学数据。月球探测取得了划时代的成就。

月球探测是人类进行太阳系探测的历史性开端, 大大促进了人类对月球、地球和太阳系的认识, 带动了一系列基础科学的创新, 促进了一系列应用科学的新发展。月球探测, 尤其是载人登月是人类迈出地球摇篮的第一步, 是整个人类历史进程的里程碑。人类在宇宙空间展示的智慧创举、超强能力和攀登精神, 是人类开拓进取、求实创新的光辉创例, 增强了人类探索宇宙、建设好地球家园的信心。月球探测成为人类历史和科学技术发展史上划时代的标志性事件。

第一次月球探测高潮的最主要推动力是冷战和空间霸权争夺的政治需求。美国与前苏联正是通过月球探测, 建立和完善了庞大的航天工业和技术体系;有力地带动和促进了一系列科学技术的快速发展;月球探测技术在军事和民用领域得到延伸、推广和二次开发, 形成了一大批高科技工业群体, 包括微电子、计算机、遥感、遥测与遥控、微波雷达、红外与激光、超低温、超高温和超高真空技术以及冶金、化工、机械、电子视听声像和信息传递等, 产生了显著的社会经济效益。据不完全统计, 从阿波罗计划派生出了大约3000多种应用技术“成果”。在登月后的短短几年内, 这些应用技术就取得巨大的效益——在登月计划中每投入1美元就可获得4~5美元的产出。

1.1.2第一次探月高潮取得的成果

人类通过对月球的探测, 获得了极其丰富的数据, 对月球的形状、大小、轨道参数、近月空间环境、月表结构与特征、月球的岩石类型与化学组成、月球的资源与能源、月球的内部结构与演化历史等的研究取得了一系列突破性进展, 对月球的起源和地月系统的相互作用与影响获得了新的认识, 主要表现在以下几个方面:

(1) 精确测定了月球的形状、大小和运行轨道。月球是一个南北极稍扁、赤道处略有膨胀的圆球体, 极半径比赤道半径短约500m。月球的平均直径为3476km, 相当于地球直径的27%;质量为7.35~1022kg, 约为地球的1/81;体积只有地球的1/49。月球的表面积约为3800km2, 只有地球表面积的1/14, 大约相当于中国陆地面积的4倍;月球的平均密度为3.34g/cm3, 比地球的平均密度 (5.52g/cm3) 小得多;月球表面的引力也只有地球表面的1/6。月球围绕着地球以椭圆形轨道运动, 其远地点为406700km, 近地点为356400km, 与地球的平均距离为384403km, 大约相当于地球赤道长度的10倍。

(2) 月球现在没有全球性磁场存在, 但月球的岩石有极微弱的剩磁, 磁化强度约 (2~4) ×10-6电磁单位/g, 这表明月球可能曾经有过较弱的全球性磁场。

(3) 月球表面基本上没有大气 (月球表面气压仅为约10-14大气压) , 由于没有大气的热传导, 月球表面昼夜温差极大 (140±10℃~170±10℃) 。

(4) 月球表面的主要地形单元为月海盆地、月陆和撞击坑。月海是指地形相对低洼的大型盆地, 月球下面的月海约占下面面积的一半, 北面月海分布极少。撞击作用导致大量岩石碎块溅射并堆积在盆地周围, 形成围绕月海盆地的山系。月陆地称高地, 是月面最古老的地形单元, 高地物质大部分是富含斜长石的深成岩。月海和月陆表面布满了撞击坑, 直径大于1km者占月表面积的7~10%。较年青的撞击坑尚保留在撞击溅射物运动所形成的辐射纹。

(5) 月球表面由岩石碎屑和尘埃组成的风化层 (月壤) 所覆盖, 它是在月球地质历史时期由无数陨石撞击所形成。由于月壤长期接受太阳—宇宙线的辐射, 因而储存了独特的太阳辐射历史, 完整地记录了40亿年太阳活动的历史, 这对了解地球上气候的变化是非常重要的。月壤一般厚5~10m, 明显地富集由太阳辐射注入的挥发性化学元素和同位素如H、He、N、C等, 初步估算全月球月壤中3He的资源量可达100~500万吨。3He是人类未来可长期使用、清洁、安全而廉价的可控核聚变燃料, 其它副产品如氢、氮、二氧化碳等也将是月球基地生命保障体系的重要资源。

(6) 月球上没有生命, 没有活动的有机体、化石或有机体固有的有机化合物。

(7) 月球表面没有水体, 月球的地质演化历史中也没有或只有极微量的水参与。

(8) 月球和地球在成因上是相互联系的, 它们都是由相同的物质“原料” (元素) 以不同的比例“混合”形成的。虽然组成月球和地球的化学元素相同, 但月球更富含难熔元素, 强烈地亏损铁和挥发性元素。所有的月球岩石都是通过高温的内生过程 (岩浆或火山作用) 形成的。月岩可粗略地分为三类:玄武岩、斜长岩和角砾岩。

在月岩中已发现100多种矿物, 其中绝大多数矿物的成份和结构与地球的矿物相同, 只有静海石等5种矿物在地球上未发现过。月球矿物普遍不含水, 矿物中的变价元素多为低价元素, 如Fe多为0价或2价铁, 表明月球矿物是在缺水和还原的条件下形成的。

(9) 月球有一个厚的月壳 (60km) , 一个相当均一的岩石圈 (60~1000km深度) 和一个部分液化的岩流圈 (1000~1740km深度) , 在岩流圈的底部可能存在一个小的铁核或硫化铁核, 但其存在与否尚未得到证实。

(10) 月球在总体形态上有轻微的不对称现象, 这可能是地球重力影响的结果, 月壳在月球背面较厚, 而大部分火山熔岩充填的大型月海盆地和选题瘤多存在于月球正面。在月球的内部, 质量并不是均匀分布的, 大的质量密集区 (“质量瘤”) 位于许多大型月海盆地的表面之下。

(11) 现在的月球是一个古老的、“僵死”的星体。月球的内部能量已近于衰竭, 表面热流仅为2μW/cm2, 内部的地温梯度也很小, 月震释放的能量小于106J/h, 每年月震释放的能量仅相当于地震的一亿分之一。自31亿年以来, 月球没有发生过显著的火山活动和构造运动, 因此, 月球的“地质时钟”停滞在31亿年之前, 至今仍保留了其早期形成时的历史状况。

(12) 根据对月球各类岩石的成份、结构与形成年龄的研究, 月球演化历史的重大事件可归纳为以下几个阶段:

(a) 月球的形成年龄约45.6亿年。

(b) 月球形成后曾发生过较大规模的岩浆洋事件, 通过岩浆的熔离过程和内部物质调整, 于41亿年前形成了斜长岩月壳、月幔和月核。

(d) 月海泛滥事件, 在39~31.5亿年前, 月球发生过多次剧烈的玄武岩喷发事件, 大量玄武岩充填了月海, 厚度达0.5~2.5km。

(e) 31.5亿年以来, 月球内部的能源逐渐枯竭, 再也没有发生大规模的岩浆火山活动与月震, 但小天体的撞击仍然不断发生, 形成具有辐射纹及重叠的撞击坑, 使月面斑驳陆离, 千疮百孔。

(13) 月球起源的理论主要有四种假说 : (a) 捕获说; (b) 共振潮汐分裂说; (c) 双星说 (d) 大碰撞分裂说。近年来, “大碰撞分裂说”获得了大量的证据并得到了大多数学者的支持。

1.2 月球探测与宁静期 (1976年~1994年)

自1976年以来, 延续约18年没有进行过任何成功的月球探测活动, 其原因可能是:随着冷战形势的缓和, 随后前苏联的解体, 空间霸权的争夺有所缓解;需要总结探测活动耗资大、效率低、探测水平不高的经验与教训, 提出新的探测思路和战略;以月球探测获得的技术为基础, 将月球探测技术向各领域转化、推广和应用, 完善航天技术系统, 研制新的空间探测技术, 如往返运输系统、大推力火箭、高效探测仪器等, 为进一步开发利用外星资源进行科学和技术准备;需要较长时间进行探测资料的消化、分析和综合, 将月球科学研究提高到更高理性认识的阶段。

1.3 重返月球

1.3.1 重返月球进展概况

1986年, 空间探测技术和月球科学研究达到了新的阶段, 对月球进行科学的、“理性”的探测时机已经成熟, 美国航空航天局 (NASA) 开始构思重返月球的计划。1989年7月20日美国总统布什宣布:“在即将到来的10年里, 我们努力的目标是自由号太空船;然后, 在新的世纪, 我们要重返月球, 重返未来, 而且这一次要呆下去”。“要呆下去”开发利用月球矿产资源、能源和特殊环境, 建设月球基地, 为人类社会的可持续发展服务, 已成为新世纪月球探测的总体目标。

1994年和1998年, 美国成功发射了“克莱门汀”和“月球勘探者”号月球探测器, 对月球形貌、资源、水冰等进行了探测, 标志着“又快、又好、又省”空间探测战略的实施, 奏响了人类重返月球、建立月球基地的序曲。俄罗斯、欧洲空间局、日本和印度在上世纪九十年代也制定了月球探测的计划, 并在积极实施中。在2002年10月的世界空间大会上, 美国宣布将在近期启动系统的月球探测新计划, 开发利用月球资源。总之, 月球探测已经成为各航天国家空间探测的重点, 月球探测的新高潮即将到来。

1.3.2 重返月球和建立月球基地的原动力

(1) 重返月球是社会发展的需求:重返月球, 建立永久基地, 是人类开发太空资源, 拓展生存空间至关重要的第一步。通过这一系统工程, 人类可以学会如何“离开地球家园”, 建立像南极类型的永久研究站, 在地球以外空间生产产品和发展工业, 建立能够自给自足的地外家园。

(2) 重返月球是科学和技术发展的需求:20世纪60~70年代的探月工程证实, 空间探测是一个具有极高产出率的项目, 它实现的真正价值往往远远高于工程本身。月球探测可以成为科学和技术的“孵化器”。

(3) 重返月球是空间科学技术发展的需求:重返月球是空间探测发展的必然, 月球将是人类长期进行深空探测的前哨和转运站, 随着技术的不断成熟, 可以在月球基地上建设空间加“油”站和发射场。月球是一个庞大的“太空实验室”, 可开展一系列天文学、空间科学, 近代物理学、生物工程学等的研究, 研制和生产一系列特殊生物制品和特殊材料。

(4) 重返月球是空间军事活动发展的需求:月球将被用作空间新概念武器平台和对地球监视的基地, 是实现制“天”权的重要步骤。