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自杀式探月  

2009-05-14 16:22:34|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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自杀式探月

文:桂祺莹

文章来源:《新知客》200904月刊

 自杀式探月 - 《新知客》杂志 - 新知客

(插图:郝鹏飞)

 

导语:

撞月,重点不在撞,而在过程中发现了什么。就像NBA的灌篮比赛,扣进篮筐不是重点,之前的花哨动作才是关键。

 

正文:  

在赫鲁晓夫看来,运载火箭之父科罗廖夫提出的“撞月方案”无疑是打击美国人的“上等货”。当时,赫鲁晓夫正与美国总统艾森豪威尔进行最高级会谈,他迫切需要一件宣传利器。于是,苏联适时地向月球发射了探测器“月球2号”。

 

撞月先驱

1959 912 日,携带着两枚标有苏联国徽装饰物的“月球2号”对准月球的方向,一路狂奔——它抵达月球需要30多个小时。其间,在科罗廖夫的安排下,莫斯科还不断向位于曼彻斯特的焦德雷尔班克观测站发送着关于“月球2号”的详实数据,以方便观测站的主任,享有卓越声誉的伯纳德·洛弗尔男爵(BernardLovell)能够不停地对它进行跟踪。苏联人的目的,是希望这次行动的成就最好能够由西方人自己发布,以放大它的效果。

不久,“月球2号”进入月球重力场,加速。这颗390千克的探测器以每秒3.3千米的速度撞击在月球上的奥托利克环形山附近,第一个人造物体落在月面,发射器信号停止。

“月球2号”成功殉月,并完成探测任务。它发现月球没有磁场,月球周围没有像范艾伦带一样的辐射带。不过,大多数媒体在报道中都忽略了它的发现——显然,“撞月”的行为更能引起他们的兴趣,尽管“撞月”在当时并不具有科学意义。

还是在太空竞赛中,美国人最终超过了苏联人。“月球2号”探测器在撞向月球的时候,并没有能拍下月面的图片,而这一任务,由1964年美国发射的“徘徊者4号”探测器完成。在高速撞向月球的过程中,“徘徊者4号”携带的电视摄像机不断地进行拍摄,以获得高分辨率的月面图像,最后几分钟里发回了4316幅高质量的月球画面,其中,最后一幅画面是撞击前0.19秒,距月面仅426米高时拍摄的——画面中人们能清晰地看到密布凹坑的月面。

像“月球2号”、“徘徊者4号”这样直接撞击月球表面,我们称之为“硬着陆”。硬着陆和自杀没什么区别,撞击前探测器相对于月面的速度一般都大于2.5千米/秒。硬着陆使人们所能获得的月球信息非常有限,但这有限的信息却为后继的一系列问题提供了答案,起码我们知道了月面能承受住载人飞船的重量。要知道,曾有著名的天文学家推测月面上被深厚的尘土覆盖,宇航员登月是不现实的。

随后,美国于 1966810 日发射了“月球轨道器1号”,它是首颗围绕月球运行的探测器,也是首颗受控撞月的探测器,主要任务是对阿波罗飞船所有可能的着陆场进行拍照,测量月球周围的流星体通量,并通过对探测器的精确跟踪来确定月球的引力场。接下来的一段时间,航天技术不断进步,自“徘徊者9号”后,专门用来“硬着陆”的探测器基本消失,用反推火箭控制的“软着陆”成为主流。直到 20 世纪 90年代,新一轮的“硬着陆”才再次上演——日本“飞天”、美国“月球勘探者号”、欧洲“智慧 1 号”、印度“月船 1号”、日本“月亮女神中继星”、中国“嫦娥1号”等多台探测器都选择了受控撞月。但和以前的撞月不同,它们不再只是传回图像,通过图像加以光谱分析才是重点。

 

 自杀式探月 - 《新知客》杂志 - 新知客

 

(“月球轨道探测器”(Lunar Reconnaissance OrbiterLRO)及其携带的“月球陨石坑观测与感知卫星”(LunarCrater Observation  and SensingSatelliteLCROSS)由诺斯罗普·格鲁曼公司负责建造。它将研究、测绘和了解月球表面的情况,其中包括撞击月球南极,探究那里的固态冰。)

 

纷至沓来的新撞击者

月球上到底有没有水,一直困扰着科学家。美国在1998年发射了“月球勘探者”探测器,它除了负责探测月球的地质结构、矿藏、磁场以外,其主要使命就是寻找月球南极地区有水冰存在的证据。

“月球勘探者”进入环绕月球的轨道后,利用专门探测水冰的中子谱仪等有效载荷,在环月轨道上对月球进行遥感探测,随后在其寿命即将结束之时撞向月球的“皮鞋匠”弹坑。“皮鞋匠”弹坑是美国人月球撞击任务的重要地点,它位于月球永久的阴面,这里有高浓度的氢,可形成水冰。

NASA相信,当重达160千克的“月球勘探者号”高速撞向“皮鞋匠”弹坑时,释放的能量很可能撞开一个大坑。如果水冰确实存在于月壤层中,撞击力将足以使水冰蒸发或溅射出一团水蒸气,地面和空间的探测设备通过观测水汽云可以判断是否有水存在。

19997 31日,收到地面指挥人员下达的撞击命令,这个探测器以6115 千米的时速向“皮鞋匠”弹坑猛烈撞击。这一撞击能量相当于1402 吨重的小汽车同时以每小时200 千米的速度相撞所产生的能量。科学家原本估计撞击将激发18千克左右的水蒸气,供地基和天基望远镜观测,从而得到无可争议的存在水冰的证据。遗憾的是,“月球勘探者号”撞击后却没有出现期待中的水汽云。“哈勃空间望远镜”和得克萨斯大学麦克唐纳天文台的地基探测设备均没有探测到任何有关水的信息。“月球勘探者号”的“光荣殉职”没有换来水蒸气,这给月球上到底是否存在水的问题继续留下了问号。

21世纪初,新一轮的探月活动开始。欧洲的“智慧 1号”探测器于 2003 年 9 28日在法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。在太空中遨游14个月,它对多项新技术进行了验证,20053月进入预定的环月球轨道,它在环月轨道上飞行 1年左右时间,并利用携带的多色微型相机、月表红外探测器、X射线成像仪等先进仪器,收集月球地质、地貌、矿物和月球环境数据,以帮助科学家更好地认识地月系统。2006年下半年,在推进器燃料即将耗尽之前,欧洲航天局的地面控制人员对“智慧1号”进行了多次飞行轨道调整。

200693“智慧1号”以将近2千米/秒的速度和一定的倾斜角度,撞向预先选定的月球优湖地区。在接近月面的过程中,“智慧1号”采用其携带的“先进月球成像实验仪”获取了高清晰度的三维图像,还用小型X射线光谱仪、红外光谱仪从较低高度对月面区域进行了详细的观测。“智慧1号”对月球的这一撞击,产生了一团小闪光,扬起宽约10千米的月球尘埃带,持续时间长达5~10分钟,并最终在月面撞出一个直径约3~10千米、深1米的坑。欧洲航天局利用地面设备对整个过程进行了监测。观察和分析撞击产生的闪光和溅射的尘埃,可以了解撞击的物理机制、月面表面性质和撞击过程中探测器的运动方式,这些数据对未来的月球探测计划具有重要的参考价值。20095月,美国将发射一颗名为“月球轨道探测器”的探月卫星,为了进一步寻找月球极地存在的水,它将会释放一个子卫星撞击月球极地,激起尘埃云,母卫星则在飞越尘埃云时收集数据并传回地球。

如此一来,通过撞击月球获得月面及月面以下物质的光谱已经成为主流做法。但中国的“嫦娥 1号”是个例外。据探月工程相关专家介绍,“嫦娥1号”撞月更多是为了给探月工程二期“月面软着陆探测与自动巡视勘察”提供数据和经验支持——软着陆阶段要攻克的着陆轨道设计与制导、导航与控制等技术。20081219 日,“嫦娥1 号”就在地面控制下进行了轨道机动演练,轨道高度从100 千米降低到 17 千米,然后又提升回100 千米。经过轨道机动演练,嫦娥已具备了精确定点撞月的能力。最终,“嫦娥1 号”落在月球东经 52.36 度、南纬1.50度的丰富海区域。这里距前苏联上世纪70年代发射的月球探测器“月球16号”和“月球20号”的着陆点不远。

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自杀式探月 - 《新知客》杂志 - 新知客

自杀式探月 - 《新知客》杂志 - 新知客

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(AD展示了LRO如何靠近南极,释放LCROSS,并撞击月球。LRO项目同样为人类重返月球服务,历时一年。)

 

撞月实不易

简单说来,卫星撞月就是一个“停车”的过程。实际操作起来,异常繁杂。在卫星绕月过程中,卫星像陀螺一般,这个时候就需要调姿,调姿发动机启动,向卫星运动的反方向喷气,卫星就会下降高度。当高度下降到一定程度,轨道就会与月面相交,交点就是理论撞击点。这就和我们停车一样,在停车入位之前,得不停地打方向盘和踩刹车才能准确停住,而停车位就是撞月的理论撞击点。

另外,月球质量分布不均匀,绕月卫星的轨道也不是平滑的,有起有伏。这样,绕月卫星更是得不断调姿。比如我们的“嫦娥1号”,它的环月飞行轨道每年将下降100千米,如此一来,就得通过调姿,再次将卫星稳定在距离月面200千米左右的地方。

除此以外,遥测技术也是一个难点。飞往月球的探测器要与地面联系,受地面控制,同时反馈回信息。地球大约24 小时自转一圈,同时月亮27 天左右绕地球公转一周。美国在全球建了3座测控站,在本土的加州、澳大利亚的堪培拉和西班牙的马德里,每隔120度建一座,总有一个站能观测到,此外它还有数座直径数十米的接收天线,已经具有了探测太阳系的能力。而我们国家的国土资源所覆盖的时区有限,当我国国土所在的那部分地球表面转到背向月球的方向,就无法观测到探测器。

绕月探测工程测控系统副总指挥董光亮指出,“嫦娥1号”是我国首次实施准深空探测,而我们目前尚没有独立的深空探测网,利用现有的陆基、海基卫星测控网和载人航天测控网进行测控,关键弧段测控覆盖率达不到技术要求。因此,还用到了国外的四个测控站。

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